Molecular Cell Biology · 66

高分子の核内輸送と核外輸送（EM学生のみ）

Nuclear import and export of macromolecules (only for EM-students)

🧠 核の出入りは「Ranという1つのGTPaseの濃度勾配」だけで方向づけられる仕組みであり、Ran-GTPが核内に、Ran-GDPが細胞質に偏って存在するという1つの化学的勾配が、輸入と輸出という正反対の輸送を同時に正しい向きへ駆動する。輸入受容体（インポーチンimportinインポーチン（importin）importin（インポーチン））はRan-GTPに出会うと積み荷を手放し、輸出受容体（エクスポーチンexportinエクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン））はRan-GTPに出会うと積み荷を掴む——同じRan-GTPが受容体の種類によって全く逆の効果を持つという点がこの系の巧妙さであり、輸出だけがRan-GTPの加水分解というエネルギーを要する非対称性を持つ。

核内輸送はゲート輸送の一例

核の(内外への)輸送過程はゲート輸送gated transportゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送）の一例であり、大きな核膜孔複合体nuclear pore complex (NPC)核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)）nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体）が高分子の進入を調節する。

細胞質と核の間では双方向の交通が継続的に生じている：

細胞質から核へ：ヒストン、DNA/RNAポリメラーゼなど
核から細胞質へ：mRNA、tRNA、rRNA

核膜孔複合体

核膜nuclear envelope核膜（nuclear envelope）nuclear envelope（核膜）は核膜孔複合体nuclear pore complex (NPC)核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)）nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体）を持つ二重膜である
NPCはバスケット状構造を形成し、各NPCは約30種の異なるタンパク質（ヌクレオポリンnucleoporinヌクレオポリン（nucleoporin）nucleoporin（ヌクレオポリン））から構成される
NPCは小分子と水に対して自由に透過性がある（受動拡散passive diffusion受動拡散（passive diffusion）passive diffusion（受動拡散）する）が、大きすぎるタンパク質は能動輸送を要する
輸送を開始するには、NLS（核局在化シグナルnuclear localization signal (NLS)核局在化シグナル（nuclear localization signal (NLS)）nuclear localization signal (NLS)（核局在化シグナル））またはNES（核外輸送nuclear export核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送）シグナル）が必要である
トランスポーター：カリオフェリンkaryopherinsカリオフェリン（karyopherins）karyopherins（カリオフェリン）（インポーチンimportinインポーチン（importin）importin（インポーチン）/エクスポーチンexportinエクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン））
調節はRanタンパク質（Gタンパク質）によって行われる

各チャネルヌクレオポリンnucleoporinヌクレオポリン（nucleoporin）nucleoporin（ヌクレオポリン）は、孔の開口部に無秩序に絡み合ったウェブを形成する大きな不定形領域を持ち、より大きな分子がそこを拡散して通過することを防ぐ。これらの不定形ドメインはフェニルアラニンphenylalanineフェニルアラニン（phenylalanine）phenylalanine（フェニルアラニン）-グリシン（FG）リピートを持ち、NLSを持つ大きな分子の転位にとって重要である。

輸入・輸出の機構

核内輸入

核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）を開始するには、NLSが核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）受容体（通常細胞質に位置する）により認識されなければならない
核内受容体nuclear receptor核内受容体（nuclear receptor）nuclear receptor（核内受容体）は積み荷に直接、あるいはアダプタータンパク質adaptor proteinアダプタータンパク質（adaptor protein）adaptor protein（アダプタータンパク質）を介して結合できる
FGリピートは大分子large molecules大分子（large molecules）large molecules（大分子）への透過性を高めるのに役立ち、積み荷-受容体複合体はこれらのFGリピートに沿って移動できる
積み荷-受容体複合体は隣接するFGリピートへ結合・解離・再結合を繰り返すことで、NPCを通って「歩く」ことができる

核外輸出

核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）とほぼ同じ様式で生じるが、方向が逆である
唯一の違いは、積み荷が輸送されるためにはNLSではなくNESを必要とする点である

Ran Gタンパク質

核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）・輸出の両方に必要とされる
Ran-GAP： Ran-GTPの加水分解をRan-GDPへ触媒する（細胞質内で）
Ran-GEF： Ran-GDPをGTPと交換する（核内で）
この分布が濃度勾配を作り出す——Ran-GDPは主に細胞質に見出され、Ran-GTPは核内に見出される→この化学的勾配（濃度差concentration difference濃度差（concentration difference）concentration difference（濃度差））が核内輸送nuclear import核内輸送（nuclear import）nuclear import（核内輸送）を適切な方向へ駆動する

Ranサイクル

核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）：

細胞質内のRan-GDPは核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）受容体に結合できないため、積み荷の放出は核内でのみ生じる。

flowchart TD
  A["核内でRan-GTPが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear import'>核内輸入</span>受容体（<span class='jp-term jp-term-diagram' title='importin'>インポーチン</span>）に結合"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='importin'>インポーチン</span>が積み荷を放出"]
  B --> C["受容体-Ran-GTP複合体がNPCを通り細胞質へ輸送される"]
  C --> D["Ran-GAPがRan-GTPをRan-GDPへ加水分解"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear import'>核内輸入</span>受容体が解放され次の輸入サイクルに利用可能になる"]

核内に入ると、Ran-GTPは核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）受容体（インポーチンimportinインポーチン（importin）importin（インポーチン））に結合でき、これに積み荷を放出させる
積み荷を降ろした後、受容体-Ran-GTP複合体はNPCを通じて細胞質へ輸送し戻される
Ran-GAPがRan-GTPをRan-GDPへ加水分解し、これが核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）受容体を解放する——新たな核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）サイクルに利用可能になるように

核内輸出：

ほぼ同様の機構で生じるが、核内のRan-GTPが積み荷の結合と核外への輸出を促進する点が異なる。Ran-GTPのRan-GDPへの加水分解が積み荷とRanの荷降ろしを促進し、その結果、再び核へ戻ることができる遊離の核外輸出nuclear export核外輸出（nuclear export）nuclear export（核外輸出）受容体が生じる。

⭐ 核からの輸出はRan-GTPからのエネルギーを要するが、輸入はそうではない！ この非対称性が、Ran-GTP/GDPの濃度勾配1つだけで輸入と輸出という正反対の方向の輸送を同時に駆動できる理由である。

輸送の調節：NLS/NESのON/OFFスイッチ

NPCを通じた輸送は、核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）・輸出シグナルへのアクセスを制御することによって調節されうる——一部のタンパク質は両方のシグナルを含むためである。両方のシグナルを含むタンパク質は核と細胞質の間を行き来する。

NLSとNESを調節することによる輸送の制御は、しばしばシグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）近傍のアミノ酸のリン酸化によって行われ、これがシグナルをON/OFFに切り替える。

活性化された細胞： 例えば細胞内Ca²⁺濃度が高く、これがタンパク質ホスファターゼを活性化しタンパク質からリン酸を除去する→輸入シグナルが露出する
静止状態の細胞： 細胞内Ca²⁺濃度が高くない→タンパク質ホスファターゼは活性化されない→NLSは隠れたまま/OFFのままである

NLS/NESに結合しこれを覆い隠すことができる調節タンパク質も存在する：

カルシニューリンcalcineurinカルシニューリン（calcineurin）calcineurin（カルシニューリン）はタンパク質ホスファターゼであり、リン酸を除去してNLSを可視化させ、同時にタンパク質に結合してNESを覆い隠す→最終的にタンパク質の核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）をもたらす

flowchart TD
  A["活性化T細胞：高い細胞内Ca2+"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calcineurin'>カルシニューリン</span>（ホスファターゼ）活性化"]
  B --> C["NF-ATのリン酸除去→NLS露出"]
  B --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='calcineurin'>カルシニューリン</span>がNF-ATに結合しNESを覆い隠す"]
  C --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear import'>核内輸入</span>"]
  D --> E
  E --> F["遺伝子転写の活性化"]

まとめ

核内輸送nuclear import核内輸送（nuclear import）nuclear import（核内輸送）はゲート輸送gated transportゲート輸送（gated transport）gated transport（ゲート輸送）の一例であり、核膜孔複合体nuclear pore complex (NPC)核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)）nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体）（約30種のヌクレオポリンnucleoporinヌクレオポリン（nucleoporin）nucleoporin（ヌクレオポリン）、FGリピートを含む不定形領域を持つ）が小分子の自由拡散と大分子large molecules大分子（large molecules）large molecules（大分子）のNLS/NES依存性能動輸送を仲介mediate仲介（mediate）mediate（仲介）する。
Ranサイクルは核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入）・輸出の両方に必要であり、Ran-GAP（細胞質）とRan-GEF（核内）が作るRan-GTP/GDPの濃度勾配（核内にGTP、細胞質にGDPが偏る）が輸送の方向性を決定する——輸出のみがRan-GTPのエネルギーを要する非対称な過程である。
NLS/NESはシグナル配列signal sequenceシグナル配列（signal sequence）signal sequence（シグナル配列）近傍のリン酸化やカルシニューリンcalcineurinカルシニューリン（calcineurin）calcineurin（カルシニューリン）のような調節タンパク質によってON/OFFに切り替えられ、細胞内Ca²⁺濃度などの生理的状態に応じて核内輸送nuclear import核内輸送（nuclear import）nuclear import（核内輸送）を制御する（例：T細胞活性化時のNF-AT核内輸入nuclear import核内輸入（nuclear import）nuclear import（核内輸入））。