Der aktive Kerntransport ist rezeptorvermittelt; das Transportsubstrat interagiert über ein Kernimport- (NLS) oder Kernexportsignal (NES) entweder direkt mit einem Transportrezeptor, welcher mit der Kernpore wechselwirkt, oder sie benötigen einen Transportadapter, der seinerseits mit dem Transportrezeptor interagiert. Transportrezeptoren interagieren beim Durchtritt des NPC über FG-Bindungsstellen mit FG-Repeats (FxFG) der Nukleoporine (Bednenko et al., 2003; Cronshaw et al., 2002; Rout et al., 2000).
Es werden zur Zeit drei Klassen von Transportrezeptoren unterschieden (Weis, 2003). Die größte Gruppierung stellt die Familie der Karyopherin β-(Kap β)-verwandten Transportfaktoren dar (Tabelle 1). Mehr als 20 Mitglieder dieser Familie werden durchschnittlich in einer eukaryotischen Zelle exprimiert und bewerkstelligen den Im- und Export verschiedenster Transportsubstrate (RNA und Proteine; Abbildung 1) entweder durch direkte Bindung des Transportsubstrates oder über einen Transportadapter (Görlich & Kutay, 1999; Lei & Silver, 2002; Macara, 2001; Mattaj & Englmeier, 1998; Ström & Weis, 2001;
Weis, 2002). Die Mitglieder dieser Familie sind für den Transport eines Großteiles der Transportsubstrate zuständig und werden auch als Importine und Exportine bezeichnet. Die zweite Klasse wird durch den kleinen Kerntransportfaktor NTF2 (nuclear transport factor 2) repräsentiert, welcher für den Kernimport der kleinen GTPase Ran zuständig ist (
) (Ribbeck et al., 1998; Smith et al., 1998).
Abbildung 2
Tabelle 1: Proteine der Importin β Familie und deren Transportsubstrate in höheren Eukaryoten.
Transportfaktoren Transportsubstrate Importine
Importin β (Karyopherin β, p97) NLS-tragende Proteine zusammen mit Importin α (Görlich
& Kutay, 1999); m3G-Cap tragende U snRNPs zusammen mit SPN1 (Huber et al., 1998); XRIP α (Jullien et al., 1999). Virale Proteine (Truant & Cullen, 1999); Cyclin B1 (Moore et al., 1999; Takizawa et al., 1999); Ribosomale Proteine (Jäkel & Görlich, 1998); Smad-Proteine (Xiao et al., 2000); Tyrosinphosphatase (T-Zellen) (Tiganis et al., 1997).
Transportin 1 (Karyopherin β2, importin β2) hnRNP Proteine (A1, F) (Pollard et al., 1996; Siomi et al., 1997); Ribosomale Proteine (Jäkel & Görlich, 1998).
Transportin-SR(2) Proteine mit SR-Domäne (Kataoka et al., 1999; Lai et al., 2000).
Importin 5 (RanBP5, Karyopherin β3) Ribosomale Proteine (Jäkel & Görlich, 1998).
Importin 7 (RanBP7) Histon H1 zusammen mit Importin β (Jäkel et al., 1999);
Ribosomale Proteine (Jäkel & Görlich, 1998); HIV Reverser Transkriptionskomplex über Bindung an Integrase (Fassati et al., 2003).
Importin 11 UbcM2 (Plafker & Macara, 2000).
Importin 13 Ubc9 und RBM8, eIF1A (Mingot et al., 2001).
Exportine
Exportin 1 (Crm1, XPO1) NES tragende Proteine (Fornerod et al., 1997; Fukuda et al., 1997; Hakata et al., 1998; Ossareh-Nazari et al., 1997;
Stade et al., 1997; Yang et al., 1998; Zhu & McKeon, 1999); m7G-Cap tragende U snRNAs (Ohno et al., 2000);
Snurportin 1 (Paraskeva et al., 1999); IκBα (Sachdev et al., 2000).
CAS Importin α (Hood & Silver, 1998; Kunzler & Hurt, 1998;
Kutay et al., 1997; Solsbacher et al., 1998).
Exportin-t tRNA (Arts et al., 1998; Hellmuth et al., 1998; Kutay et al., 1998).
Exportin 4 eIF5A (Lipowsky et al., 2000).
Obwohl NTF2 lediglich Ran in seiner GDP gebundenen Form importiert, ist die Anzahl der zu transportierenden RanGDP-Moleküle immens. In einer Säugerzelle werden innerhalb einer Minute mehrere Millionen Moleküle der kleinen Ras-verwandten GTPase importiert.
Die dritte Familie an Transportrezeptoren ist am Kernexport von mRNA beteiligt. Der mRNA-Exportkomplex besteht in höheren Eukaryoten aus einer großen konservierten (TAP/NXF) und einer kleinen NPC-assoziierten Untereinheit (p15/NXT) (Conti &
Izaurralde, 2001; Reed & Hurt, 2002).
Die drei vorgestellten Gruppen an Kerntransportrezeptoren weisen keinerlei Sequenzhomologien auf und sind demnach wahrscheinlich unabhängig voneinander entstanden.
Abbildung 1: Kerntransportzyklen in Abhängigkeit von Ran. Der Kernimport ist auf der rechten Bildseite und der Kernexport auf der linken Hälfte dargestellt. Abkürzungen: Ran-GTPase activating protein (RanGAP);
Ran binding protein 1 (RanBP1).
Da Kernim- und export entweder gegen einen Konzentrationsgradienten stattfinden, wie beispielsweise der Import spleißosomaler Untereinheiten, oder aber streng reguliert werden müssen, wie z.B. der Transport von Transkriptionsfaktoren, sind diese Transportprozesse mit einem energieverbrauchenden System gekoppelt. Im Fall der Importine und Exportine der Karyopherin β-Familie ist der Kerntransport durch die kleine GTPase Ran reguliert (Abbildung 1) (Görlich & Kutay, 1999; Lei & Silver, 2002; Macara, 2001; Mattaj &
Englmeier, 1998; Weis, 2002). Bindung und Freisetzung des Transportsubstrates werden über eine asymmetrische Verteilung zweier nukleotidgebundener Zustände von Ran
kontrolliert, dem sogenannten RanGTP-Gradienten. Ran kommt in einer GTP- und GDP-gebundenen Form vor, wobei die Umwandlung beider Formen in Abwesenheit von zusätzlichen Faktoren sehr langsam stattfindet. Der Austausch von GDP gegen GTP wird durch den Ran Guanin Nukleotid Austauschfaktor (RanGEF) RCC1 katalysiert, welcher nur im Zellkern vorliegt. Hydrolyse von RanGTP findet hingegen lediglich im Zytoplasma statt und wird durch das RanGTPase activating protein (RanGAP) im Komplex mit RanBP1 und/oder RanBP2 katalysiert. Beide RanBPs fördern die GTP-Hydrolyse durch RanGAP auch unabhängig voneinander (Braslavsky et al., 2000). RanBP2 ist Teil der zytoplasmatischen Filamente des NPC (Mahajan et al., 1997; Matunis et al., 1996), wodurch RanGAP und auch RanBP1 hauptsächlich am Kernporenausgang vorliegen. RCC1 liegt im Komplex mit Nukleosomen (H2A/B) vor (Nemergut et al., 2001) und ist dadurch an das Chromatin gebunden. Des Weiteren interagiert RCC1 auch mit RanBP3, das den Nukleotidaustausch an Ran zusätzlich beschleunigt. Dieser RanGTP-Gradient wird aufrechterhalten, indem jedes Molekül RanGDP, was durch ein NTF2-Dimer in den Zellkern transportiert wird (Ribbeck & Görlich, 2001; Ribbeck et al., 1998; Smith et al., 1998) durch RCC1 phosphoryliert wird und RanGTP nach dessen Kernexport durch RanGAP/RanBP1/2 dephosphoryliert wird (Abbildung 2).
Abbildung 2: Ran-Zyklus. Dargestellt ist die Regulierung des Gleichgewichtes der GTPase Ran.
Abkürzungen: Ran-GTPase activating protein (RanGAP); Ran binding protein 1 (RanBP1); Guanine nucleotide exchange factor (RCC1); Nuclear transport factor 2 (NTF2).
Die ungleiche Verteilung der zwei Ran-Formen bestimmt die Lokalisation der Transportfaktoren und ist notwendig und ausreichend für den gerichteten Transport durch die Kernpore. Importine binden ihre Transportsubstrate im Zytoplasma und setzen sie, nach erfolgtem Import, bei RanGTP-Bindung im Nukleus frei. Der substratfreie Importin-RanGTP Komplex verläßt den Nukleus und dissoziert bei Dephosphorylierung von RanGDP. Im Gegensatz dazu binden Exportine ihre Transportsubstrate ausschließlich in Anwesenheit von RanGTP im Zellkern. Im Zytoplasma dissoziiert der Transportkomplex, sobald RanGTP dephosphoryliert wird (Abbildung 1).
Neben seiner entscheidenden Rolle im nukleozytoplasmatischen Transport wurden mehrere Funktionen der GTPase Ran während der Mitose, teilweise in Interaktion mit Importin β und beim Wiederaufbau der Kernmembran nach der Zellteilung gefunden (Carazo-Salas et al., 1999; Gruss et al., 2001; Hetzer & Mattaj, 2000; Kalab et al., 1999; Wiese et al., 2001;
Zhang & Clarke, 2000).