Importación y exportación en el núcleo celular

El núcleo se encuentra rodeado por la envoltura nuclear, que encierra al material genético y define el comportamiento nuclear. Ésta, se forma de dos membranas ubicadas al centro y continuas con el retículo endoplásmico. La membrana nuclear interna contiene proteínas específicas que sirven como sitios de unión de los cromosomas y facilita la unión de la lámina nuclear que la soporta. Dicha membrana está rodeada por la membrana nuclear externa; al igual que la membrana del retículo endoplásmico rugoso (RER), esta membrana está cubierta de ribosomas que sintetizan proteínas. Las proteínas fabricadas en esos ribosomas son llevadas al espacio perinuclear (espacio que existe entre las membranas interna y externa), que es continuo con la luz del retículo endoplasmático.

Envoltura nuclear

La envoltura nuclear es se encuentra perforada por poros, gracias a estos poros nucleares existe un movimiento bidireccional establecido entre el citosol de la célula y el núcleo. Las proteínas que actúan en el núcleo (que son las histonas, DNA y RNA polimerasas, proteínas reguladoras de genes y proteínas de procesamiento del RNA) son importadas selectivamente desde el citosol hacia el compartimiento nuclear, donde son fabricadas. Por el contrario, proteínas cuya función se desarrolla en el citoplasma, como los ácidos ribonucleicos; tRNAs, rRNAs y mRNAs, son sintetizados en dicho compartimiento nuclear y luego son exportados al citosol. La exportación e importación nuclear tienen lugar a través de canales proteicos localizados en la membrana nuclear.

Complejo del poro nuclear y transporte pasivo de proteínas

El transporte de moléculas hacia el exterior e interior del núcleo, puede llevarse a cabo gracias a que en todas las células eucariotas la envoltura nuclear está perforada por poros nucleares, constituidos por grandes complejos multiproteicos. Estas estructuras se denominan complejo del poro nuclear (NPC), cuyo tamaño es de aproximádamente 60 y 125 MDa en vertebrados. Los NPC (Fig. 1) están formados por subunidades denominadas nucleoporinas (participando alrededor de 30 nucleoporinas distintas en la formación de un solo NPC), que a su vez están agrupadas en sub-complejos multiproteicos ubicados dentro de la envoltura nuclear o asociados a su cara externa o interna respecto al nucleoplasma. El complejo del poro nuclear está compuesto por tres partes: 1) Anillos concéntricos formados por nucleoporinas estructurales que unen el poro a la membrana. 2) Ocho módulos radiales simétricos, formados por subcomplejos de nucleoporinas, que emiten alargamientos hacia la parte citoplasmática (filamentos citoplasmáticos) y hacia la parte nuclear, donde coinciden en una estructura circular, formando lo que se conoce como canasta nuclear. 3)Filamentos flexibles que cubren el interior del canal y se extienden hacia ambas aperturas del poro. Están formados por más de 200 copias de nucleoporinas que se distribuyen de manera simétrica por las caras interiores y exteriores del canal, y algunas de ellas sólo se sitúan en alguno de los lados del NPC.

Cada complejo presenta uno o más canales acuosos abiertos por los que pueden difundir por transporte pasivo moléculas pequeñas (que van de 5000 a 44000 Da) y solubles en agua, también prohíbe el paso hacia el núcleo a​ proteínas globulares mayores de 60kDa. El tamaño de los canales permite que el compartimiento nuclear y el citosol mantengan diferentes conjuntos de proteínas.

Las proteínas globulares mayores, como las DNA y RNA polimerasas (entre 100 y 200 kDa), no pueden pasar por transporte pasivo a través de la envoltura nuclear, por lo que necesitan unirse a proteínas receptoras localizadas en los complejos del poro y energía en forma de GTP o GDP, para finalmente ser transportadas de forma activa a través de los poros nucleares.

Gradiente de RanGTP

El transporte entre el núcleo y el citoplasma necesita energía y depende de la existencia de un gradiente de RanGTP entre ambos compartimentos; este gradiente permite la disociación y asociación de las cargas a sus respectivos transportadores y asegura la dirección correcta del transporte. Ran es una GTPasa de la familia Ras de pequeño tamaño que alterna entre la forma unida a GDP (RanGDP) o a GTP (RanGTP). Estas proteínas dirigen el flujo bidireccional a través del complejo del poro:

●        RanGTP: al estar más concentrada en el núcleo,  tiende a salir.

●        RanGDP: tiende a entrar al núcleo y crea así un gradiente que facilita el pasaje.

Señales de localización necesarias para el transporte

Las señales de localización nuclear hacen que el flujo de proteínas del citosol al núcleo sea selectivo. Estas señales únicamente están presentes en las proteínas nucleares, consisten en una secuencia corta que va entre 4 y 8 aminoácidos. Esta señal, cuando hay importación nuclear se denomina señal de localización nuclear (NLS) y cuando hay exportación nuclear se denomina señal de exportación nuclear (NES).

Existen dos tipos de NLSs: las monopartitas y las bipartitas. Las NLSs monopartitas están formadas por un sólo grupo de residuos básicos y las NLSs bipartitas están formadas por dos grupos de residuos de lisinas y argininas. Este tipo de señales son reconocidas específicamente por la Importina α y las proteínas que las contienen son transportadas al núcleo por el heterodímero Importina α/Importina β1. Por otro lado, las NES son secuencias cortas de aminoácidos hidrofóbicos, principalmente leucinas.

A estas señales de localización nuclear, que se localizan en los poros nucleares, se unen una o más nucleoporinas, que son proteínas citosólicas, que contienen la N-acetilglucosamina, un azúcar simple que ayuda a su identificación mediante el uso de lectinas y anticuerpos específicos. Las nucleoporinas colaboran dirigiendo a la proteína nuclear hacia el centro del complejo de poro, donde se une a las fibrillas que están extendidas hacia el citosol y que se proyectan a partir del anillo del complejo. Estas fibrillas guían a las proteínas nucleares hacia el centro del complejo de poro, donde es transportada activamente hacia el interior nuclear mediante un proceso que requiere la hidrólisis de GTP.

Proteínas involucradas: Carioferinas

Son proteínas mediadoras del transporte a través del NPC. Su clasificación depende de la dirección del transporte para el que fueron inicialmente descritas, se les ha clasificado como importinas y exportinas.

Las importinas, en su mayoría, pertenecen a la superfamilia de las importinas β y se encargan de regular el transporte de la mayor parte de las proteínas y de diferentes especies de RNAs, excepto mRNAs.

Así, las carioferinas participan en los dos tipos de transporte nuclear:

-Exportación nuclear: Sucede en condiciones de alta concentración de RanGTP,  reconoce una proteína que contiene una NES (señal de exportación nuclear) junto a una molécula de RanGTP. El complejo es entonces capaz de interaccionar con el complejo del poro nuclear y atravesarlo hasta el citoplasma. Una vez allí, otras proteínas Ran promueven la actividad GTPasa de Ran, que hidroliza el GTP y pasa a convertirse en RanGDP. La hidrólisis produce un cambio conformacional en Ran, produciéndose el desensamblaje de la exportina-carga, quedando la carga libre en el citoplasma. Las moléculas de RanGDP y exportina se reciclan para un nuevo ciclo de transporte.

-Importación nuclear: Las importinas interaccionan en el citoplasma, en condiciones de baja concentración de RanGTP, con la proteína con una NLS (señal de localización nuclear), y entra al interior del núcleo mediante asociación con proteínas del complejo del poro nuclear. Una vez en el nucleoplasma, la presencia de altos niveles de RanGTP causa la destrucción del complejo importina-carga, liberándose la carga en el interior del núcleo. La Importina α es transportada de nuevo al citoplasma mediante su interacción reiniciándose de nuevo el proceso.

Transporte activo de proteínas

En el citoplasma las importinas α y β se unen y reconocen la secuencia NLS de la proteína a ser importada al núcleo. Una vez en el núcleo, rápidamente una RAN-GTP se une a la importina β y así, se libera la proteína de las importinas en el núcleo.

Regulación del transporte entre el núcleo y el citosol​

El transporte entre el citosol y el núcleo puede regularse inactivando la señal de localización nuclear de las proteínas nucleares por fosforilación o cuando dichas proteínas se unan a proteínas citosólicas inhibidoras que las retienen en el citosol mediante interacciones con el citoesqueleto o con organelos específicos, o enmascaran sus señales de localización nuclear. Sin embargo, cuando la célula recibe el estímulo necesario, la proteína nuclear es liberada y es transportada hacia el núcleo.

De una forma similar, puede estar controlada la exportación de RNA desde el núcleo. Como en la importación activa hacia el núcleo, la exportación requiere una señal. Es probable que las señales de exportación nuclear se localicen en las subunidades proteicas de dichos complejos, y que se activen después de ensamblarse correctamente con los componentes del RNA.

Por todo esto puede concluirse que el mecanismo de transporte de macromoléculas a través del poro nuclear, es muy distinto al mecanismo que ocurre a través de las membranas de otros organelos, pues el transporte nuclear no ocurre por un transportador proteico que atraviesa una o más bicapas lipídicas sino mediante un poro con un canal acuoso regulado. También, mientras que las proteínas nucleares son transportadas a través de los poros manteniendo su conformación completamente plegada, en el transporte a otros organelos, las proteínas tienen que desplegarse. Por último, las señales de localización nuclear no se eliminan después del transporte hacia el núcleo, pues las proteínas nucleares han de ser importadas al núcleo varias veces, después de cada división celular. Pero, cuando una proteína ha sido importada a cualquier otro organelo membranoso, el péptido señal es a menudo eliminado después de la translocación proteica.

Referencias

●   ¹​Alberts,   B. (2004).​ Biología Molecular de la Célula (Cuarta edición). Barcelona: Ediciones Omega.

●    Alberts, B. [et​ al] ; tr. por Gabriela López. (2011). Introducción​ a la Biología Celular (Tercera edición​ ). México: Editorial Médica Panamericana.

●    Araújo-Bazán, L. (2008). [en​ línea] Análisis​ de las principales rutas de importación y exportación nuclear. Tesis Doctoral, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad Complutense de Madrid. España. Recuperado de DIGITAL.CSIC el 19 de octubre de

2016 de,  http://digital.csic.es/handle/10261/39897?mode=full​              

●    Geydan. et al.. (2010). Dinámica​            del Complejo del Poro Nuclear. Recuperado el 19

de        octubre              de         2016,  de        SciElo    Sitio   web:

http://www.scielo.org.co/pdf/abc/v15n1/v15n1a20.pdf

●     Universidad de Buenos Aires. Compartimentos celulares y tráfico intracelular de​          proteínas. Recuperado el 19 de octubre de 2016 Sitio web: http://dpd.fvet.uba.ar/cartelera/00011614.pdf

●    Universidad de Salamanca. Tráfico intracelular de proteínas. Recuperado el 19 de octubre de 2016. Sitio web:

http://ocw.usal.es/ciencias-biosanitarias/bioquimica-biosintesis-de-macromolecul as/contenidos/10.%20Trafico%20Intracelular%20de%20Proteinas.pdf