تسلسل التوطين النووي

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

تسلسل التموضع النووي ، أو إشارة التموضع النووي ( NLS )، هو نمط من تسلسل الأحماض الأمينية يُستخدم لتمييز البروتين تمهيدًا لاستيراده إلى نواة الخلية عبر النقل النووي . [ 1 ] يتكون هذا التسلسل عادةً من تسلسل واحد أو أكثر من تسلسلات قصيرة من الليسين أو الأرجينين المشحونة إيجابيًا، والموجودة على سطح البروتين. [ 1 ] قد تشترك بروتينات مختلفة متمركزة نوويًا في نفس تسلسل التموضع النووي. [ 1 ] يؤدي تسلسل التموضع النووي وظيفة معاكسة لإشارة التصدير النووي (NES)، التي تستهدف إخراج البروتينات من النواة.

الأنواع

كلاسيكي

يمكن تصنيف هذه الأنواع من إشارات التوطين النووي (NLSs) إلى أحادية وثنائية. يتمثل الاختلاف البنيوي الرئيسي بينهما في أن مجموعتي الأحماض الأمينية القاعدية في إشارات التوطين النووي الثنائية تفصل بينهما سلسلة فاصلة قصيرة نسبيًا (ومن هنا جاءت تسميتها ثنائية - أي جزأين)، بينما لا تفصل بينهما سلسلة فاصلة في إشارات التوطين النووي الأحادية. أول إشارة توطين نووي تم اكتشافها هي التسلسل PKKKRKV في المستضد T الكبير لفيروس SV40 (وهي إشارة توطين نووي أحادية). [ 2 ] تُعد إشارة التوطين النووي للنوكليوبلازمين ، KR[PAATKKAGQA]KKKK، النموذج الأولي للإشارة الثنائية المنتشرة: مجموعتان من الأحماض الأمينية القاعدية، تفصل بينهما سلسلة فاصلة تتكون من حوالي 10 أحماض أمينية. [ 3 ] يتعرف بروتين إمبورتين ألفا على كلتا الإشارتين . يحتوي بروتين إمبورتين ألفا نفسه على إشارة توطين نووي ثنائية، والتي يتعرف عليها بروتين إمبورتين بيتا تحديدًا . ويمكن اعتبار الأخير وسيط الاستيراد الفعلي.

اقترح تشيلسكي وآخرون التسلسل التوافقي KK/RXK/R لإشارات التوطين النووي أحادية الجزء. [ 3 ] وبالتالي، قد يكون تسلسل تشيلسكي جزءًا من المجموعة الأساسية اللاحقة لإشارة توطين نووي ثنائية الجزء. أجرى مكة وآخرون طفرات مقارنة على إشارات التوطين النووي لمستضد T الخاص بفيروس SV40 (أحادي الجزء)، وC-myc (أحادي الجزء)، والنوكليوبلازمين (ثنائي الجزء)، وأظهروا خصائص الأحماض الأمينية المشتركة بين الثلاثة. وقد تم توضيح دور الأحماض الأمينية المتعادلة والحمضية لأول مرة في المساهمة في كفاءة إشارة التوطين النووي. [ 4 ]

قارن روتيلو وزملاؤه كفاءة التموضع النووي لبروتينات التموضع النووي المدمجة مع بروتين eGFP لمستضد T الكبير لفيروس SV40، والنوكليوبلازمين (AVKRPAATKKAGQAKKKKLD)، وEGL-13 (MSRRRKANPTKLSENAKKLAKEVEN)، وc-Myc (PAAKRVKLD)، وبروتين TUS (KLKIKRPVK) من خلال توصيل البروتين السريع داخل الخلايا. ووجدوا أن كفاءة التموضع النووي لبروتين c-Myc أعلى بكثير من كفاءة التموضع النووي لبروتين SV40. [ 5 ]

غير كلاسيكي

توجد أنواع أخرى عديدة من إشارات التوطين النووي (NLS)، مثل نطاق M9 الحمضي في hnRNP A1، وتسلسل KIPIK في مثبط النسخ Matα2 في الخميرة، والإشارات المعقدة لـ U snRNPs. ويبدو أن معظم هذه الإشارات يتم التعرف عليها مباشرةً بواسطة مستقبلات محددة من عائلة إمبورتين β دون تدخل بروتين شبيه بإمبورتين α. [ 6 ]

يبدو أن الإشارة التي تبدو خاصة بالبروتينات الريبوزومية المنتجة والمنقولة بكميات كبيرة، [ 7 ] [ 8 ] تأتي مصحوبة بمجموعة متخصصة من مستقبلات الاستيراد النووي الشبيهة ببروتين إمبورتين بيتا. [ 9 ]

اقترح لي وآخرون مؤخرًا فئة من إشارات التوطين النووي (NLSs) تُعرف باسم PY-NLSs [ 10 ] . يسمح هذا النمط PY-NLS، الذي سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى اقتران حمضي البرولين والتيروسين الأمينيين فيه، للبروتين بالارتباط ببروتين إمبورتين β2 (المعروف أيضًا باسم ترانسبورتين أو كاريوفيرين β2)، والذي بدوره ينقل البروتين المحمل إلى النواة. وقد تم تحديد الأساس البنيوي لارتباط PY-NLS الموجود في إمبورتين β2، كما تم تصميم مثبط لعملية الاستيراد [ 11 ] .

اكتشاف

يُعد وجود الغشاء النووي الذي يعزل الحمض النووي الخلوي السمة المميزة للخلايا حقيقية النواة . ولذلك، يفصل الغشاء النووي عمليات تضاعف الحمض النووي ونسخ الحمض النووي الريبوزي في النواة عن عملية إنتاج البروتين في السيتوبلازم. ويجب توجيه البروتينات اللازمة في النواة إليها عبر آلية ما. وقد أجرى جون جوردون أول فحص تجريبي مباشر لقدرة البروتينات النووية على التراكم في النواة، حيث أظهر أن البروتينات النووية النقية تتراكم في نواة بويضات الضفدع ( Xenopus ) بعد حقنها مجهريًا في السيتوبلازم . وكانت هذه التجارب جزءًا من سلسلة أدت لاحقًا إلى دراسات حول إعادة برمجة النواة، وهي دراسات ذات صلة مباشرة بأبحاث الخلايا الجذعية.

أدى وجود ملايين من معقدات المسام في الغشاء النووي للبويضة، وحقيقة أنها تسمح بمرور العديد من الجزيئات المختلفة (مثل الأنسولين، وألبومين مصل البقر، وجزيئات الذهب النانوية )، إلى الاعتقاد بأن هذه المسام عبارة عن قنوات مفتوحة، وأن البروتينات النووية تدخل النواة بحرية عبرها، وتتراكم عن طريق الارتباط بالحمض النووي أو أحد مكونات النواة الأخرى. بعبارة أخرى، كان يُعتقد أنه لا توجد آلية نقل محددة.

أثبت دينغوال ولاسكي خطأ هذا الرأي عام ١٩٨٢. فباستخدام بروتين يُسمى نيوكليوبلازمين، وهو نموذج أولي لـ"البروتين المرافق الجزيئي "، حددا نطاقًا في البروتين يعمل كإشارة لدخول النواة. [ ١٢ ] حفّز هذا العمل البحث في هذا المجال، وبعد عامين، تم تحديد أول إشارة توجيه نووي (NLS) في مستضد T الكبير لفيروس SV40 (أو SV40 اختصارًا). مع ذلك، لم يكن من الممكن تحديد إشارة توجيه نووي وظيفية في بروتين نووي آخر بمجرد التشابه مع إشارة توجيه نووي SV40. في الواقع، نسبة ضئيلة فقط من البروتينات النووية الخلوية (غير الفيروسية) تحتوي على تسلسل مشابه لإشارة توجيه نووي SV40. كشف فحص دقيق للنيوكليوبلازمين عن تسلسل يتكون من عنصرين من الأحماض الأمينية القاعدية يفصل بينهما ذراع فاصل. كان أحد هذين العنصرين مشابهًا لإشارة توجيه نووي SV40، لكنه لم يكن قادرًا على توجيه البروتين إلى نواة الخلية عند ارتباطه ببروتين مُبلِّغ غير نووي. كلا العنصرين ضروريان. [ 13 ] يُعرف هذا النوع من إشارات التوطين النووي (NLS) باسم إشارة التوطين النووي الكلاسيكية ثنائية الأجزاء. ومن المعروف الآن أن إشارة التوطين النووي ثنائية الأجزاء تمثل الفئة الرئيسية من إشارات التوطين النووي الموجودة في البروتينات النووية الخلوية [ 14 ] ، وقد كشف التحليل البنيوي عن كيفية تعرف بروتين مستقبل ( إمبورتين ألفا ) على الإشارة [ 15 ] (كما أن الأساس البنيوي لبعض إشارات التوطين النووي أحادية الأجزاء معروف أيضًا [ 16 ] ). وقد باتت العديد من التفاصيل الجزيئية لاستيراد البروتين النووي معروفة الآن. وقد أصبح ذلك ممكنًا بفضل إثبات أن استيراد البروتين النووي عملية من خطوتين؛ حيث يرتبط البروتين النووي بمركب المسام النووي في عملية لا تتطلب طاقة. ويتبع ذلك انتقال البروتين النووي عبر قناة مركب المسام، وهو انتقال يعتمد على الطاقة [ 17 ] [ 18 ] . ومن خلال إثبات وجود خطوتين متميزتين في هذه العملية، تم تحديد العوامل المشاركة، مما أدى إلى تحديد عائلة الإمبورتين من مستقبلات إشارات التوطين النووي، والإنزيم GTPase Ran .

آلية الاستيراد النووي

Proteins gain entry into the nucleus through the nuclear envelope. The nuclear envelope consists of concentric membranes, the outer and the inner membrane. The inner and outer membranes connect at multiple sites, forming channels between the cytoplasm and the nucleoplasm. These channels are occupied by nuclear pore complexes (NPCs), complex multiprotein structures that mediate the transport across the nuclear membrane.

A protein translated with an NLS will bind strongly to importin (aka karyopherin), and, together, the complex will move through the nuclear pore. At this point, Ran-GTP will bind to the importin-protein complex, and its binding will cause the importin to lose affinity for the protein. The protein is released, and now the Ran-GTP/importin complex will move back out of the nucleus through the nuclear pore. A GTPase-activating protein (GAP) in the cytoplasm hydrolyzes the Ran-GTP to GDP, and this causes a conformational change in Ran, ultimately reducing its affinity for importin. Importin is released and Ran-GDP is recycled back to the nucleus where a Guanine nucleotide exchange factor (GEF) exchanges its GDP back for GTP.

See also

References

  1. 123Mahato, Ram I.; Smith, Louis C.; Rolland, Alain (1999-01-01), Hall, Jeffrey C.; Dunlap, Jay C.; Friedmann, Theodore; Giannelli, Francesco (eds.), Pharmaceutical Perspectives of Nonviral Gene Therapy, Advances in Genetics, vol. 41, Academic Press, pp. 95–156, doi:10.1016/s0065-2660(08)60152-2, ISBN 9780120176410, PMID 10494618, retrieved 2020-12-17
  2. ↑Kalderon D, Roberts BL, Richardson WD, Smith AE (1984). "A short amino acid sequence able to specify nuclear location". Cell. 39 (3 Pt 2): 499–509. doi:10.1016/0092-8674(84)90457-4. PMID 6096007. S2CID 42354737.
  3. 12Dingwall C, Robbins J, Dilworth SM, Roberts B, Richardson WD (Sep 1988). "The nucleoplasmin nuclear location sequence is larger and more complex than that of SV-40 large T antigen". J. Cell Biol. 107 (3): 841–9. doi:10.1083/jcb.107.3.841. PMC 2115281. PMID 3417784.
  4. ↑ ماكير جيه بي، دينغوال سي، لاسكي آر إيه (أغسطس 1996). "الطفرات المقارنة لإشارات التموضع النووي تكشف أهمية الأحماض الأمينية المتعادلة والحمضية" . بيولوجيا حالية . 6 (8): 1025-1027 . Bibcode : 1996CBio....6.1025M . doi : 10.1016/S0960-9822(02)00648-6 . PMID 8805337 . 
  5. ↑ راي م، تانغ ر، جيانغ ز، روتيلو ف م (2015). "التتبع الكمي لحركة البروتين إلى النواة باستخدام توصيل البروتين السيتوبلازمي بواسطة كبسولات نانوية مثبتة بجزيئات نانوية" . كيمياء الاقتران الحيوي 26 (6): 1004-1007 . doi : 10.1021/acs.bioconjchem.5b00141 . PMC 4743495. PMID 26011555 .  
  6. ↑ ماتاج، آي دبليو، وإنجلماير، إل (1998). "النقل النووي السيتوبلازمي: الطور الذائب" . مجلة المراجعات السنوية للكيمياء الحيوية . 67 (1): 265-306 . doi : 10.1146/annurev.biochem.67.1.265 . PMID 9759490 . 
  7. ↑ تيمرز إيه سي، ستوجر آر، شاب بي جيه، فان ريت جيه، راوي إتش إيه (يونيو 1999). "التوطين النووي والنووي للبروتينات الريبوزومية S22 وS25 في الخميرة Saccharomyces cerevisiae" . رسائل FEBS . 452 (3): 335-340 . Bibcode : 1999FEBSL.452..335T . doi : 10.1016/S0014-5793(99)00669-9 . PMID 10386617 . 
  8. ↑ غاريت آر إيه، دوثويت إس آر، ماثيسون إيه تي، مور بي بي، نولر إتش إف (2000). الريبوسوم: البنية والوظيفة والمضادات الحيوية والتفاعلات الخلوية . الصحافة ASM. رقم ISBN 978-1-55581-184-6.
  9. ↑ راوت إم بي، بلوبل جي، أيتشيسون جي دي (مايو 1997). "مسار استيراد نووي مميز تستخدمه البروتينات الريبوزومية" . الخلية . 89 (5): 715-25 . doi : 10.1016/S0092-8674(00)80254-8 . PMID 9182759 . 
  10. ↑ لي بي جيه، كانسيزوغلو إيه إي، سويل كي إي، لويس تي إتش، تشانغ زد، تشوك واي إم (أغسطس 2006). " قواعد التعرف على تسلسل التموضع النووي بواسطة الكاريوفيرين بيتا 2" . الخلية . 126 (3): 543-558 . doi : 10.1016/j.cell.2006.05.049 . PMC 3442361. PMID 16901787 .  
  11. ↑ كانسيزوغلو، أ. إي.، لي، ب. ج.، تشانغ، ز. س.، فونتورا، ب. م.، تشوك، ي. م. (مايو 2007). "تصميم مثبط استيراد نووي خاص بمسار معين بناءً على البنية" . مجلة نيتشر للبيولوجيا البنيوية والجزيئية . 14 (5): 452-454 . doi : 10.1038/nsmb1229 . PMC 3437620. PMID 17435768 .  
  12. ↑ دينغوال سي، شارنيك إس في، لاسكي آر إيه (سبتمبر 1982). "نطاق ببتيدي يحدد هجرة النيوكليوبلازمين إلى النواة". الخلية . 30 ( 2): 449-58 . doi : 10.1016/0092-8674(82)90242-2 . PMID 6814762. S2CID 39465973 .  
  13. ↑ دينغوال سي، لاسكي آر إيه (ديسمبر 1991). "تسلسلات الاستهداف النووي - هل يوجد إجماع؟". اتجاهات في العلوم البيوكيميائية . 16 (12): 478-81 . doi : 10.1016/0968-0004(91)90184-W . PMID 1664152 . 
  14. ^ ياناجاوا، هيروشي؛ توميتا، ماسارو؛ مياموتو ساتو، إتسوكو؛ تاكاشيما، هيدياكي؛ ماتسومورا، نوبوتاكا؛ هاسيبي، ماساكو؛ كوسوجي ، شونيتشي (2009-01-02). "ستة فئات من إشارات التوطين النووي الخاصة بأخاديد ربط مختلفة من Importin α" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 284 (1): 478-485 . دوى : 10.1074/jbc.M807017200 . ISSN 0021-9258 . بميد 19001369 .  
  15. ↑ كونتي إي، كوريان جيه (مارس 2000). "التحليل البلوري للتعرف المحدد والمتعدد الاستخدامات على إشارات التموضع النووي المتميزة بواسطة الكاريوفيرين ألفا" . ستراكشر . 8 (3): 329-338 . doi : 10.1016/s0969-2126(00)00107-6 . PMID 10745017 . 
  16. ↑ كونتي إي، أوي إم، لايتون إل، بلوبل جي، كوريان جيه (يوليو 1998). "التحليل البلوري للتعرف على إشارة التموضع النووي بواسطة عامل النقل النووي كاريوفيرين ألفا" . الخلية . 94 (2): 193-204 . doi : 10.1016/S0092-8674(00)81419-1 . PMID 9695948 . 
  17. ↑ دينغوال سي، روبنز جيه، ديلورث إس إم، روبرتس بي، ريتشاردسون دبليو دي (سبتمبر 1988). "تسلسل موقع النوكليوبلازمين النووي أكبر وأكثر تعقيدًا من تسلسل مستضد T الكبير لفيروس SV-40" . مجلة بيولوجيا الخلية . 107 (3): 841-849 . doi : 10.1083/jcb.107.3.841 . PMC 2115281. PMID 3417784 .  
  18. ↑ نيومير دي دي، فوربس دي جيه (مارس 1988). "يمكن فصل الاستيراد النووي إلى خطوات متميزة في المختبر: ارتباط المسام النووية والانتقال". الخلية . 52 ( 5): 641-53 . doi : 10.1016/0092-8674(88)90402-3 . PMID 3345567. S2CID 45889419 .  

للمزيد من القراءة

  • غورليش د (يونيو 1997). "استيراد البروتين النووي". الرأي الحالي في بيولوجيا الخلية . 9 (3): 412-419 . doi : 10.1016/S0955-0674(97)80015-4 . hdl : 11858/00-001M-0000-002D-1CC5-E . PMID 9159081 . 
  • لوسك سي بي، بلوبل جي، كينغ إم سي (مايو 2007). "الطريق السريع إلى الغشاء النووي الداخلي: قواعد الطريق". مجلة نيتشر ريفيوز لعلم الأحياء الخلوي الجزيئي . 8 (5): 414-420 . doi : 10.1038/nrm2165 . PMID 17440484. S2CID 21070484 .