II.1. Vận chuyển có chọn lọc các protein đến và đi từ nhân
II.1.1. Cơ chế vận chuyển
Cơ sở cho sự vận chuyển có chọn lọc qua màng nhân được hiểu tốt nhất đối với những protein được nhập khẩu từ tế bào chất đến nhân tế bào. Protein này chịu trách nhiệm cho tất cả các mặt về cấu trúc và chức năng của gen, chúng bao gồm các protein histon, AND polimeaza, ARN polimeaza, các yếu tố phiên mã, yếu tố kết nối và nhiều loại khác. Những protein này nhắm mục tiêu đến nhân tế bào nhờ trình tự axit amin đặc biệt, được gọi là tín hiệu định vị nhân.
Tín hiệu định vị nhân đầu tiên được mô tả một cách chi tiết bởi Alam Smith và các đồng nghiệp vào năm 1984. Họ đã nghiên cứu một loại kháng nguyên T của virut nhiễm trên khỉ SV40 ( simian virus 40), một loại protein virut được mã hóa để khởi đầu sao chép ADN của virut trong tế bào bị nhiễm. Như mong đợi về một loại protein tái bản, kháng nguyên T thường được định vị đến nhân. Tín hiệu chịu trách nhiệm về
dư lượng lysine ngăn cản sự nhập khẩu vào nhân của kháng nguyên T , kết quả là dẫn đến sự tích tụ của kháng nguyên này trong tế bào chất. Nghiên cứu tiếp theo đã xác định tín hiệu định vị nhân của kháng nguyên T là chuỗi bảy axit amin : Pro - Lys - Lys- Lys - Arg - Lys-Val.
Tín hiệu định vị nhân được xác định trong nhiều loại protein khác nhau. Hầu hết các trình tự, tương tự như của kháng nguyên T , là đoạn ngắn giàu các axit amin cơ bản (lysine và arginine). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, các axit amin tạo thành các tín hiệu định vị nhân gần nhau chứ không tiếp giáp sát với nhau. Ví dụ, các tín hiệu định vị nhân của nucleoplasmin (một loại protein liên quan đến lắp ráp nhiễm sắc thể ) bao gồm hai phần: một cặp Lys-Arg kèm theo bốn lysine nằm cách nó mười axít amin về cuối chuỗi ( Hình 17). Cả hai trình tự Lys-Arg và Lys-Lys-Lys-Lys đều cần thiết cho việc hướng nhân, nhưng các axít amin giữa những trình tự này có thể bị biến đổi mà không ảnh hưởng tới sự định vị nhân. Kiểu tín hiệu định vị nhân tương tự gặp ở nhiều loại protein do đó nó có thể phổ biến hơn so với tín hiệu định vị nhân đơn giản của kháng nguyên T. Ngoài ra, một số protein, chẳng hạn như protein ribosome, có tín hiệu định vị nhân riêng biệt mà không liên quan đến các tín hiệu định vị nhân giàu các axit amin cơ bản của một trong hai loại nucleoplasmin hoặc T kháng nguyên.
Hình 17 : Tín hiệu định vị nhân.
Tín hiệu định vị nhân của kháng nguyên T là một chuỗi đơn giản của các axit amin.Ngược lại, tín hiệu định vị nhân của nucleoplasmin gồm hai phần: một
cặp Lys-Arg và một chuỗi bốn axitamin Lys-Lys-Lys-Lys.
Hoạt động nhập khẩu protein thông qua các phức hợp lỗ nhân có thể được chia thành hai bước, phân biệt bởi nhu cầu năng lượng của mỗi giai đoạn ( Hình 18). Bước
đầu tiên, không cần năng lượng, protein có chứa các tín hiệu định vị nhân liên kết với các phức hợp lỗ nhân nhưng không đi qua các lỗ nhân. Trong giai đoạn này, các tín hiệu định vị nhân được nhận biết bởi một protein thụ thể trong tế bào chất, và các phức hợp thụ thể bề mặt liên kết với các lỗ nhân. Các thụ thể - được gọi là importin , bao gồm hai tiểu đơn vị. Một tiểu đơn vị ( importin α) liên kết với tín hiệu định vị nhân giàu các axit amin cơ bản của các protein như kháng nguyên T và nucleoplasmin. Tiểu đơn vị thứ hai (importin β) liên kết với các sợi tế bào chất của phức hợp lỗ nhân, đưa protein mục tiêu đến các lỗ nhân. Các loại tín hiệu định vị nhân, chẳng hạn như những protein ribosome, được nhận biết bởi các thụ thể khác nhau có liên quan đến importin β và chức năng tương tự như importin β trong việc vận chuyển các protein mục tiêu của chúng vào nhân .
Hình 18 : Quá trình nhập khẩu protein thông qua các phức hợp lỗ nhân.
Protein được vận chuyển thông các phức hợp lỗ nhân theo hai bước.Trong ví dụ, một protein có tín hiệu định vị nhân (NLS) là một chuỗi amino axit cơ bản điển
hình được nhận biết bởi importin.
Bước thứ hai của quá trình là sự vận chuyển thông qua các phức hợp lỗ nhân, là một quá trình phụ thuộc vào năng lượng lấy từ sự thủy phân GTP. Chất vận chuyển quan trọng trong quá trình này là một protein nhỏ liên kết GTP gọi là Ran, ( Hình
của Ran. Các enzyme xúc tác liên kết giữa GTP với Ran được định vị trên màng nhân về phía trong nhân trong khi các enzym xúc tác thủy phân GTP được định vị ở phía tế bào chất. Do đó, có một gradient của Ran / GTP qua màng nhân, với nồng độ cao của Ran / GTP phía trong nhân và nồng độ cao của Ran / GDP trong tế bào chất. Gradient này của Ran / GTP được cho là để xác định hướng của quá trình vận chuyển và thủy phân GTP bởi Ran xuất hiện để giải thích cho hầu hết (nếu không phải tất cả) nhu cầu năng lượng cho sự nhập khẩu của nhân. Importin β tạo phức với importin α và protein mục tiêu của nó ở phía tế bào chất của phức hợp lỗ nhân, trong sự hiện diện của một nồng độ cao của Ran / GDP. Phức hợp này sau đó được vận chuyển qua lỗ nhân vào nhân nơi đang có nồng độ cao của Ran / GTP. Ở phía nhân của lỗ nhân, Ran / GTP gắn vào importin β, thay cho importin α và protein mục tiêu. Kết quả là, các protein mục tiêu giải phóng trong nhân. Phức hợp Ran / GTP - importin β sau đó được xuất khẩu ra tế bào chất, nơi mà GTP được thủy phân thành GDP, giải phóng importin β để tham gia vào một vòng nhập khẩu vào nhân khác.
Hình 19: Vai trò của các protein Ran trong quá trình nhập khẩu vào nhân.
Giao thông thông qua các phức hợp lỗ nhân được điều khiển bởi một gradient của Ran / GTP, với nồng độ cao của Ran / GDP trong tế bào chất và nồng độ cao
của Ran / GTP trong nhân.
Một số protein ở lại trong nhân sau khi được nhập khẩu từ tế bào chất, nhưng nhiều phân tử vận chuyển khác đi qua lại giữa nhân và tế bào chất. Một số loại protein này hoạt động như “ phu khuân vác” trong việc vận chuyển các phân tử khác, chẳng
hạn như ARN; Một số khác phối hợp chức năng nhân và tế bào chất (ví dụ, bằng cách điều chỉnh hoạt động của các yếu tố phiên mã ). Protein được nhắm mục tiêu xuất khẩu từ nhân tế bào bởi trình tự axit amin đặc biệt, được gọi là tín hiệu xuất khẩu nhân. Cũng như tín hiệu định vị nhân, tín hiệu xuất khẩu nhân được nhận biết bởi các thụ thể trong nhân mà nhờ đó các protein được vận chuyển trực tiếp thông qua các phức hợp lỗ nhân đến tế bào chất. Điều thú vị là các thụ thể xuất khẩu nhân (gọi là exportins ) có liên quan đến importin β. Giống như importin β, các exportins liên kết với Ran , điều đó là cần thiết để xuất khẩu khỏi nhân cũng như nhập khẩu vào nhân. Tuy nhiên, đáng chú ý, Ran / GTP thúc đẩy sự hình thành của phức hợp ổn định giữa exportins và protein mục tiêu, trong khi lại phân tách phức hợp giữa importins và protein mục tiêu của nó. Hiệu ứng của liên kết Ran / GTP với exportins điều khiển sự chuyển động của các protein có chứa các tín hiệu xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất. Như vậy, exportins tạo ra các phức hợp ổn định với các protein mục tiêu của nó gắn với Ran / GTP trong nhân. Sau khi vận chuyển sang phía tế bào chất của màng nhân, GTP thủy phân dẫn đến sự phân ly của protein mục tiêu,và phát tán vào tế bào chất.
Hình 20 : Hoạt động xuất khẩu của nhân.
Phức hợp giữa các protein mục tiêu mang tín hiệu xuất khẩu nhân (NES), exportins, và Ran / GTP hình thành trong nhân.Sau khi vận chuyển qua phức hợp lỗ
Một khía cạnh hấp dẫn của việc vận chuyển protein vào nhân là một mức độ mà tại đó các hoạt động của protein nhân có thể được kiểm soát. Các yếu tố phiên mã là một ví dụ, chúng chỉ có chức năng khi có mặt trong nhân, vì vậy điều chỉnh sự nhập khẩu của chúng tới nhân là một phương tiện mới để kiểm soát sự biểu hiện của gen. Việc điều chỉnh sự nhập khẩu vào nhân của các yếu tố phiên mã và protein kinase đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hành vi của các tế bào để đáp ứng với những thay đổi trong môi trường, vì nó cung cấp một cơ chế mà theo đó các tín hiệu nhận được trên bề mặt tế bào có thể được truyền đến nhân tế bào.
Trong một cơ chế điều chỉnh, các yếu tố sao chép (hoặc protein khác) liên kết với các protein tế bào chất mà tín hiệu định vị nhân của chúng bị che giấu; vì tín hiệu của chúng không được nhận biết, nên những protein này vẫn ở lại trong tế bào chất. Một ví dụ được cung cấp bởi các yếu tố phiên mã NF-κB, là yếu tố hoạt hóa phiên mã của chuỗi nhẹ globulin miễn dịch κ - trong tế bào lympho B ( hình 21 ). Trong các tế bào không bị kích thích NF-κB được tìm thấy như là một phức hợp không hoạt động với một protein ức chế (IκB) trong tế bào chất. Liên kết với IκB xuất hiện để che giấu tín hiệu định vị nhân NF-κB , do đó ngăn cản NF-κB từ tế bào chất đang được vận chuyển vào nhân tế bào . Trong các tế bào bị kích thích, IκB bị phosphoryl hóa và phân hủy bởi ubiquitin , cho phép NF-κB vào nhân và kích hoạt phiên mã của các gen mục tiêu.
Hình 21: Điểu chỉnh sự nhập khẩu vào nhân của yếu tố phiên mã
Việc nhập khẩu vào nhân của các yếu tố phiên mã khác được điều chỉnh trực tiếp bởi sự phosphoryl hóa chính nó, chứ không phải do kết hợp với protein ức chế . Ví dụ, yếu tố phiên mã SWI5 của nấm men được nhập khẩu vào nhân chỉ ở giai đoạn nhất định của chu kỳ tế bào. Mặt khác, khi SWI5 được giữ lại trong tế bào chất là kết quả của sự phosphoryl hóa các serine liền kề với tín hiệu định vị nhân của nó, ngăn chặn nhập khẩu vào nhân. Điều chỉnh sự dephosphoryl hóa các vị trí này kích hoạt SWI5 ở giai đoạn thích hợp của chu kỳ tế bào sẽ cho phép sự vận chuyển của nó đến nhân.
II.2. Sự vận chuyển của ARN qua màng nhân
Trong khi nhiều protein được vận chuyển chọn lọc từ tế bào chất vào nhân, thì hầu hết các ARN được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất. Cũng giống như nhập khẩu protein, việc xuất khẩu ARN thông qua phức hợp lỗ nhân là một quá trình tích cực, phụ thuộc năng lượng và cần tới protein Ran liên kết GTP.
ARN được vận chuyển qua màng nhân dưới dạng phức hợp với protein, mà trong một số trường hợp phức hợp đủ lớn để có thể quan sát bằng kính hiển vi điện tử . Dạng vận chuyển phổ biến của các ARN là phức hợp Ribonucleoprotein hơn là ARN trần, và ARN được nhắm mục tiêu cho vận chuyển từ nhân bởi các tín hiệu xuất khẩu trên các protein liên kết với chúng. Những protein này được nhận biết bởi exportins và vận chuyển từ nhân ra tế bào chất như mô tả ở trên. Các tiền mARN và mARN được kết hợp với một tập hợp ít nhất 20 protein (hình thành các heterogeneous nuclear ribonucleoproteins, hoặc hnRNPs ) trong quá trình chế biến và cuối cùng vận chuyển đến các tế bào chất. Ít nhất hai trong số các protein hnRNP này có tín hiệu xuất khẩu và được cho là có chức năng như các “ phu khuân vác” của mRNA trong quá trình xuất khẩu của chúng đến tế bào chất. Như đã biết, ARN ribosome được lắp ráp với các protein ribosome trong nhân , và tiểu đơn vị ribosome nguyên vẹn sau đó được vận chuyển đến các tế bào chất. Quá trình xuất khẩu của chúng từ nhân được thông qua bởi các tín hiệu xuất khẩu hiện diện trên protein ribosome. Với tRNA, các protein đặc biệt làm trung gian trong xuất khẩu từ nhân chưa được xác định.
Trái ngược với mRNA, tRNA, và rRNAs, có chức năng trong tế bào chất, chức năng snRNAs trong nhân như thành phần của bộ máy chế biến ARN . Có lẽ đáng ngạc nhiên, các ARN ban đầu được vận chuyển từ nhân ra tế bào chất, nơi mà chúng liên kết
liên kết với mũ 5 ' của snRNAs xuất hiện để tham gia vào việc xuất khẩu các snRNAs đến tế bào chất, trong khi trình tự hiện diện trên các protein snRNP lại chịu trách nhiệm vận chuyển snRNPs từ tế bào chất vào nhân tế bào.
Hình 22: Vận chuyển snRNAs giữa nhân và tế bào chất.
snARN ban đầu được xuất khẩu từ nhân ra tế bào chất, nơi mà chúng liên kết với protein để tạo thành phức hợp snRNP. Các snRNP sau đó được vận chuyển trở
Phần 3: KẾT LUẬN
Như vậy hoạt động vận chuyển các chất trong tế bào diễn ra rất đa dạng, phong phú với nhiều hình thức khác nhau tùy thuộc vào chất vận chuyển và các cấu trúc tham gia quá trình vận chuyển. Nhưng dù ở hình thức nào quá trình vận chuyển cũng tuân theo một nguyên tắc chung là chỉ vận chuyển những chất cần thiết đến những nơi cần thiết. Nhờ đó các các hoạt động của tế bào không bị xáo trộn mà được điều chỉnh rất chặt chẽ.
Với mong muốn xây dựng một chuyên đề hỗ trợ nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy phần sinh học tế bào tôi đã cố gắng nghiên cứu, sưu tầm, chọn lọc và sắp xếp phù hợp với logic các kiến thức. Nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên chuyên đề chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Vì vậy tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và bạn bè.