高分子の核内輸送と核外輸送（EM学生のみ）

🧠 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、教科書的には輸出だけが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と整理される（実際にエネルギーを消費しているのは勾配の維持であることは本文の⚠️を参照）。

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、DNADNA（deoxyribonucleic acid）/RNARNA（ribonucleic acid）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（「約30種」は出芽酵母 budding yeasts 出芽酵母（budding yeasts） budding yeasts（出芽酵母） のNPCで数え上げられた30種に由来する古典的な数字である）
• 💡 近年の構造解析でヒトNPCの数字は具体化した。 ヒトNPCは分子量約110 MDa・総計約1,000分子のタンパク質からなる巨大集合体であり、その構成要素は約34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） である。NPCは核細胞質軸のまわりに8回回転対称を持つため、34種はいずれも8の倍数のコピー数 copy number コピー数（copy number） copy number（コピー数） で存在する。全体の寸法は幅約1,200 Å・高さ約750 Åで、中央輸送チャネルを囲む内輪は核膜 nuclear envelope 核膜（nuclear envelope） nuclear envelope（核膜） の膜張力 membrane tension 膜張力（membrane tension） membrane tension（膜張力） に応じて直径を約200 Å分だけ収縮・拡張させる¹。
• 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"]

1. 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
2. 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
3. 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。

⚠️ ただしこの「輸出だけがエネルギーを要する」という整理は教科書的な要約であって、実験的にはそのままの形では成り立たない。 NPCを通る移動（転位）そのものは、輸入側でも輸出側でもRanによるGTP加水分解を必要としない。加水分解できないRan変異体やGTP非加水分解性アナログを用いても古典的NLS積み荷のNPC通過と核内での放出は起こり、輸入の転位段階にはいかなるヌクレオシド nucleoside ヌクレオシド（nucleoside） nucleoside（ヌクレオシド） 三リン酸の加水分解も要求されないことが示されている（ただしRan-GDPをRan-GTPへ変換するための遊離GTPプール GTP pool GTPプール（GTP pool） GTP pool（GTPプール） は必要で、RCC1を加えると加水分解要求性が回復する）²。輸出側も同様で、インポーチンimportin インポーチン（importin）importin（インポーチン） α/β・トランスポーチン・HIVHIV（human immunodeficiency virus） Rev・tRNAの核外輸送 nuclear export 核外輸送（nuclear export） nuclear export（核外輸送） は核内Ran-GTPの存在は要求するがRanによるGTP加水分解は要求しないと報告されている³。

⚠️ エネルギーを消費しているのは輸送の1回1回ではなく、Ran-GTP勾配の維持そのものである。 細胞質のRan-GAPが加水分解を続けることで核内Ran-GTP濃度は細胞質側の約1,000倍に保たれており、この勾配の急峻 steep (dose gradient) 急峻（steep (dose gradient)） steep (dose gradient)（急峻） さは細胞のエネルギー荷 energy charge エネルギー荷（energy charge） energy charge（エネルギー荷） にきわめて鋭敏である⁴。上のRanサイクルの図で輸入の最終段階にもRan-GAPによる加水分解が置かれているのはそのためで、輸入・輸出のどちらのサイクルもRan-GTPを1分子ずつ細胞質へ持ち出して加水分解する点では等価である。

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） （古典的には約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）、ヒトでは約34種・総計約1,000分子・約110 MDa、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。教科書では「輸出のみがRan-GTPのエネルギーを要する非対称な過程」と整理されるが、実験的には転位段階はどちらの向きでもRanのGTP加水分解を要さず、エネルギーが費やされているのは核内で細胞質側の約1,000倍に達するRan-GTP勾配の維持のほうである。
• 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））。