基本介紹
- 中文名：核孔複合體
- 外文名：nuclear pore complexes
- 縮寫：NPC
定義,結構,功能,蛋白質的入核運輸,蛋白質的出核運輸,RNA的出核運輸,
定義
核孔複合體是鑲嵌在內外核膜上的籃狀複合體結構，主要由胞質環、核質環、核籃等結構組成，是物質進出細胞核的通道。一般的，一個脊椎動物細胞核上有大約1000個核孔複合體。當然，這一數量隨細胞種類以及細胞所處的細胞周期中階段不同而改變。
結構上，核孔複合體主要由核孔蛋白構成。大約一半的核孔蛋白含有螺旋蛋白結構域，而另一半的核孔蛋白具有典型的“天然未摺疊”結構特徵（高度靈活並缺乏有序的三級結構）。
功能上，核孔複合體可以看做是一種特殊的跨膜運輸蛋白複合體，並且是一個雙功能、雙向性的親水性核質交換通道。
不同生物的核膜孔具有相同結構，並以核孔複合體的形式存在。它的內外口徑約為70～80納米，通道的直徑約為9納米。核膜孔內外口的周邊均有對稱排列的8個球狀顆粒，其直徑約15納米；中央尚有一個中心顆粒，直徑約30納米。中心顆粒與球狀顆粒之間有細絲相連。這些細絲具有核糖核蛋白的性質。核膜孔通道中還有一些無定形物質。核膜孔的數目、分布和密度與細胞代謝活性有關，核質與細胞質之間物質交換旺盛的部位核膜孔數目多。可見，核膜孔在調節核與細胞質的物質交換中有一定的作用。
結構
核孔複合體是指鑲嵌在核孔上的一種複雜的結構。主要有以下四種結構組分：
1.胞質環：位於核孔邊緣的胞質面一側，又稱外環。環上有8條短纖維對稱分布並伸向胞質。
2.核質環：位於核孔邊緣的核質面一側，又稱內環。環上有8條細長纖維對稱分布，向核內伸入50~70nm，在纖維末端形成一個直徑為60nm的小環。
3.輻：由核孔邊緣伸向中心，呈輻射狀八重對稱。可進一步分為3個區域：①柱狀亞單位，位於核孔邊緣，連線內、外環，起支撐作用。②腔內亞單位，在柱狀亞單位之外，接觸核膜部分的區域，它穿過核膜伸入雙層核膜的核周圍間隙。③ 環帶亞單位，在柱狀亞單位之內，靠近核孔複合體中心的部分，由8個顆粒狀結構環繞形成核孔複合體核質交換的通道。
4.栓：又稱中央栓。位於核孔中心，呈顆粒狀或棒狀，所以又稱為中央顆粒。
核孔複合體對於垂直於核膜孔中心的軸呈輻射狀八重對稱結構，而相對於平行核膜面則是不對稱的。
功能
核孔複合體是核質交換的雙向選擇性親水通道，是一種特殊的跨膜運輸的蛋白質複合體。他具有雙功能和雙α-向性。雙功能表現在兩種運輸方式：被動擴散與主動運輸。雙向性表現在既介導蛋白質的入核運輸，又介導RNA RNP等的出核運輸。
1949-1950年間，H.G.Callan與S.G.Tomlin在用透射電子顯微鏡觀察兩棲類卵母細胞的核被膜時發現了核孔，隨後人們逐漸認識到核孔並不是一個簡單的孔洞，而是一個相對獨立的複雜結構。
1959年M.L.Waston將這種結構命名為核孔複合體(nuclear pore complex,NPC)。
核孔複合體在核的有選擇性的物質轉運中起重要作用 。蛋白質分子都是在細胞質中合成的（細胞質中的核糖體是蛋白質合成的機器）。大分子的蛋白質通過核孔進入細胞質中。核孔對大分子的進入是有選擇性的，如mRNA分子的前體在核內產生後，只有經過加工成為mRNA並與蛋白形成複合物後才能通過。大分子憑藉自身的核定位信號和核孔複合體上的受體蛋白結合而實現的“主動轉運”過程。
一般的，小分子物質（<30-60kDa）可以通過被動擴散的方式通過核孔複合體。一般來講，有效的通過核孔的轉運過程需要多種因子的參與。特別的，核轉運受體與貨物分子結合，介導其入核或出核的運輸過程。核轉運受體中最大的家族是核轉運蛋白，包含多種輸入蛋白以及輸出蛋白。核轉運蛋白又被劃分為
-核轉運蛋白以及
-核轉運蛋白。其他的核轉運受體包括NTF2以及NTF2類似蛋白。
蛋白質的入核運輸
具有暴露的核定位序列（NLS）的貨物分子能夠迅速高效地通過核孔轉運入核。目前已知的幾種核定位序列大多包含保守的胺基酸序列，如PKKKRKV。具有核定位序列的分子會被輸入蛋白識別並運入核內。
經典的入核機制如下所述。具有核定位序列的蛋白首先與α-輸入蛋白結合，之後α-輸入蛋白與β-輸入蛋白結合。形成的複合體被定位至核孔並通過擴散作用通過核孔。入核後，RanGTP與β-輸入蛋白結合，使其脫離複合體。之後，細胞凋亡易感性蛋白（CAS）——一種與RanGTP結合輸出蛋白，使α-輸入蛋白與貨物分子脫離。隨後RanGTP-β-輸入蛋白複合體和RanGTP-CAS-α-輸入蛋白複合體通過擴散作用出核。在核外GTP水解為GDP，導致兩種輸入蛋白被釋放，繼續介導下一次具有NLS蛋白的入核過程。
雖然貨物蛋白跨核膜的轉運需要輔助蛋白，但轉運過程本身不消耗能量。但是，整個循環的完成需要將兩分子GTP水解為GDP，因此整個轉運過程應被看作一種主動運輸。運輸的能量主要由細胞核內與細胞質之間的RanGTP梯度提供。這種梯度的產生主要由於一種核內的蛋白——RanGEF，將Ran上的GDP交換為GTP，因此導致核內RanGTP濃度高於核外。
蛋白質的出核運輸
一些分子或生物大分子複合物需要從核內被轉運出核進入細胞質，如核糖體亞基，因此存在與入核過程相似的機制來實現這一過程。
具有核輸出序列（NES）的蛋白可以在核內與輸出蛋白（如CRM1）以及RanGTP結合形成複合體，隨後通過擴散過程出核。之後GTP被水解，蛋白被釋放到細胞質中，而CRM1-RanGDP擴散回到核內，GTP通過RanGEF被交換為GTP。由於過程中伴隨一個GTP分子的水解，整個過程仍然是消耗能量的。
RNA的出核運輸
不同種類的RNA具有不同的出核通路。一般的，RNA出核通過RNA結合蛋白上的NES序列介導（除tRNA）。同時，所有的病毒RNA以及細胞RNA（tRNA，rRNA，U snRNA，microRNA），除去mRNA都是依靠RanGTP出核的。mRNA具有特定的出核因子，一般是Mex67/Tap以及Mtr2/p15。在高等真核細胞內，mRNA的出核被認為依賴於剪接，而剪接又反過來招募蛋白複合體，TREX，來剪下mRNA。然而，對於特定的mRNA（如用於組蛋白），生物體記憶體在不依賴於剪接的mRNA輸出替代路徑。
