Transporte nucleoplasmático

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El mantenimiento de la vida celular eucariota requiere de una intensa comunicación molecular entre el núcleo y el citoplasma, debido a que el primero se lleva a cabo la decodificación inicial del mensaje genético [transcripción y procesamiento de los RNA mensajeros (RNAm), RNA de transferencias( RNAt), RNA ribosómicos (RNAr)], pero en el citoplasma se encuentra los ribosomas (que requieren para su ensamblaje de los diferentes RNAr además de las proteínas ribosomales sintetizadas en el propio ribosoma), la nanomáquina molecular que realiza la decodificación final, la lectura del RNAm, y su traducción en proteínas. Esta separación de funciones nucleo-citoplasma en el procesamiento de la información genética requiere que muchas de las proteínas que han sido inicialmente sintetizadas en el citoplasma pero que funcionan en el núcleo (ADN polimerasas, RNA polimerasas, telomerasas, histonas, factores reguladores de la expresión génica, las lamininas que forman la lámina nuclear , etc...) deben ser importadas al núcleo, mientras que la mayoría de las proteínas que actúan y componen los diferentes organelos presentes en el citoplasma requieren de la actividad informativa del núcleo. Ello hace que exista una gran cantidad de trafico molecular entre el citoplasma y el núcleo en forma de un transporte nucleocitoplasmático. Por ejemplo, una célula de mamífero activa puede sintetizar aproximadamente 20.000 subunidades ribosomales por minuto, y en ciertos puntos del ciclo celular pueden sintetizadas en el citoplasma cerca de 30.000 histonas por minuto y que son requeridas por el núcleo. En orden a que tal tremendo numero de moléculas pase a través de la envuelta nuclear, en una manera concertada, los complejos de poro nucleares (NPCs), los mediadores del transporte nucleocitoplasmático, deben ser altamente eficientes permitiendo el paso selectivo de materiales hacia y desde el núcleo.

El tráfico molecular entre el núcleo y el citoplasma en las células en interfase ocurre vía los complejos de poro nuclear (NPCs). El transporte de macromoléculas (proteínas, diferentes tipos de RNA en forma de complejos Ribonucleoproteicos RNP, y que son llamados generalmente cargos) a través de los NPCs ocurre en un complejo proceso que incluye las siguientes etapas.

.- Reconocimiento de las señales de importación/ exportación presentes en el cargo (NLS/NES) por un receptor de importe o exporte (importinas o exportinas).

.- Acople del complejo cargo/receptor en el NPC

.- Translocación a través del NPC.

.- Liberación del cargo transportada.

.- Reciclaje de los receptores para la próxima ronda de transporte.

El transporte activo (dependiente de energía) de cargos a través de los NPCs es mediado por un sistema móvil de proteínas transportadoras nucleares llamadas carioferinas (distintas de las que componen la estructura del NPC), que actúan juntas para mover los cargos entre los compartimentos citoplasmático y nuclear. Existen dos tipos de carioferinas, las importinas , que transportan cargos al interior nuclear desde el citoplasma y las exportinas, que exportan cargos en dirección opuesta desde el núcleo al citoplasma. Entre las primeras se incluyen la importina β y entre las segundas el factor CRM1 (acrónimo de Chromosome Region Maintenance 1 en inglés). La primera media el importe citoplasma->núcleo de cargos al reconocer las señales de localización nuclear, NLS (acrónimo de Nuclar Location Signal en inglés) que contienen, mientras que la segunda promueve el exporte de cargos que contiene señales de exportación nuclear NESs ( acrónimo de Nuclear Exportation Signal en inglés) desde el núcleo al citoplasma.

Las carioferinas son generalemente grandes proteínas ácidas que comparten la habiliad de unir componetes del NPC y contiene un dominio de unión a Ran-GTP y un dominio C-terminal de unión al cargo. Los cargos (proteínas, RNA o ambos) se unen a su receptor de transporte apropiado directamente a través de las señales NLS y NES o via proteínas adaptadoras. En particular las proteínas con tiene un señales simples o bipartitas de localización nuclear (NLSs) son importadas vía el receptores de β-importina indirectamente por asociación con adaptadores de la familia de α-importina.

Ran y el transporte nucleoplasmático

La dirección del transporte nucleocitoplasmático a través del complejo del poro nuclear es determinada por una pequeña proteína con actividad GTPasa de hidrólisis de GTP (Guanosina Trifosfato) llamada Ran (acrónimo RAs-related Nuclear protein, proteína relacionada con las proteínas de la familia de proteína Ras, implicadas en los procesos de división celular y oncogénesis). Ran en inglés también puede significa hacer pasar, llevar o dirigir un nombre muy apropiado para esta proteína como veremos. Ran cambia a lo largo del ciclo de transporte nucleo->citoplasma->nucleo entre dos estados Ran-GTP en el que Ran está unido GTP y Ran-GDP en el que Ran une GDP (llamado por ello ciclo Ran). El cambio entre un estado y otro está promovido por un conjunto de los factores reguladores de actividad contrapuesta, así el factor de intercambio de GTP, RanGEF (acrónimo de Ran Guanine nucleotide-exchange factor en inglés) cataliza el intercambio GDP->GTP en Ran y favorece con ello la generación de la forma Ran-GTP, mientras que la proteína activadora de la actividad GTPasa ,RanGAP, (del inglés RanGTPase-activating protein, llamada también RCC1) estimula la actividad GTPasa de hidrólisis GTP por Ran (en cooperación con otros dos proteínas de unión a Ran-GTP, RanBP1 and RanBP2). La energía de hidrólisis del GTP proporciona la energía para el transporte nucleocitoplasmático.

La proteína RanGEF está unida a la cromatina y así su localización celular está restringida al núcleo, asegurando elevados niveles de Ran-GTP en el mismo. Por otra parte, la proteína RanGAP está localizada en las filamentos citoplasmáticos del NPC, de esta manera la concentración de RanGTP es mantenida baja en el citoplasma. Así, la asimetría nucleo-citoplasma de la localización de los reguladores de Ran es la responsable de la creación de un gradiente de RanGTP a través de la envoltura nuclear y de los NPCs: Los niveles de RanGTP son más altos en el núcleo y más bajos en el citoplasma. Este gradiente de Ran-GTP dirige el transporte nucleocitoplasmático al regular el ensamblaje y el desesamblaje de los complejos de importación y de exportación. Ran-GTP actúa así como una señal de posición definiendo el compartimento nuclear .Ran-GTP afecta la afinidad de los receptores de importe y exporte por sus respectivos cargos en una manera contrapuesta. Promueve la la formación de complejos de exportación e induce la disociación de complejos de importación. Así, las exportinas pueden unir NES conteniendo proteínas solo en el núcleo en el que existe un alto nivel de RanGTP, mientras que las importinas pueden unir proteínas conteniendo NLS solo en el citoplasma donde los niveles de Ran-GTP son bajos.

Importe citoplasma-> núcleo

Los complejo de importación se forman en el citoplasma donde los niveles Ran-GTP son bajos, los cargos conteniendo secuencias NLS son reconocidos por la α-importina (una proteína adaptadora) que se asocia con la β-importina. El complejo de importación ternario cargo/α-importina/ β-importina atraviesa el complejo nuclear del poro hacia el núcleo. El transporte de los cargos a través del NPC es uno de los proceso peor conocidos, en el que parecen que interviene nucleoporinas FG que componen el canal central del NPC. Después de entrar en el núcleo el complejo de importación sufre un proceso de desensamblaje o disociación de sus componentes cuando la proteínas Ran-GTP se une a la β-importina, propiciando con ello la liberación del cargo del complejo de importación en el núcleo, proceso que se ve además favorecido por nucleoporinas como la proteína NUP50 (en células de mamíferos) que ayudan a la disociación de los cargos de las importinas, funcionando así como una trinquete molecular que impide que haya ciclos fútiles con el cargo volviendo al citoplasma. La β-importina se recicla de nuevo al citoplasma en una manera dependiente de Ran-GTP, mientras que la α-importina requiere un factor adicional CAS ( acrónimo de cellular apoptosis susceptibility protein) para su reciclaje la citoplasma.

Exporte núcleo-> citoplasma

En el núcleo los niveles de Ran-GTP son altos, los cargos que llevan señales de exportación NES se unen a la exportina CRM1 y a RanGTP en el núcleo formando los complejos de exportación que son transportados a través del NPC al citoplasma.

En el citoplasma la hidrólisis de RanGTP estimulada por RanGAP promueve la formación de Ran-GDP lo que favorece la disociación del complejo de exportación liberando el cargo que ha sido exportado en el citoplasma. El Ran-GDP resultado de la hidrólisis de GTP en el citoplasma es reciclado de vuelta al núcleo por la proteína de unión a Ran-GDP, NTF2 (acrónimo de nuclear transport factor 2 en inglés). Tanto CRM1 y NTF2 pueden recolocarse en el núcleo o en el citoplasma independiente de la actividad de Ran-GTP.

A parte de participar en el transporte nucleocitoplasmático la proteína Ran participa en la mitosis, por una parte en el ensamblaje del huso mitótico y por otra en formación la envuelta nuclear durante la telofase.