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核被膜核苷三磷酸酶

来源:国外医学临床生物化学与检验学分册 作者:李载权 唐朝枢 2004-9-27
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摘要: 摘要核被膜上的核苷三磷酸酶通过提供能量以促进细胞核内成熟mRNA从核内向胞浆进行转移,这一转运过程是制约细胞成熟mRNA能否表达出蛋白质的一重要环节,现已知道调节该酶活性的因素除成熟mRNA的poly结构上,还有很多其它的因素。核苷三磷酸酶 成熟mRNA核转运真核细胞核被膜(nuclear envelope)的出现使细胞核内DNA的复制......


  摘要 核被膜上的核苷三磷酸酶通过提供能量以促进细胞核内成熟mRNA从核内向胞浆进行转移,这一转运过程是制约细胞成熟mRNA能否表达出蛋白质的一重要环节,现已知道调节该酶活性的因素除成熟mRNA的poly结构上,还有很多其它的因素。

  关键词:核被膜;核苷三磷酸酶 成熟mRNA核转运

  真核细胞核被膜(nuclear envelope)的出现使细胞核内DNA的复制、RNA的转录从时间和空间上与蛋白质的释放过程彻底分开,因而促进了细胞的进化和功能的完善,但是成熟mRNA必须从细胞核内向细胞浆转运(mRNA nucleocytoplasmic transport)才能使mRNA完成其指导蛋白质表达的任务,显然这一转运过程是调节蛋白质功能的重要环节。本世纪50年代,Schneider在分离的细胞核中加入二磷酸核苷和三磷酸核苷(NDP、NTP)时发现这些核苷酸会刺激核内mRNA的转运,当时认为这是由于核苷酸螯合了那些能抑制mRNA的转运二价阳离子如钙、镁等的结果,由此而促进了mRNA向胞浆的转运;而Clawson通过核苷酸代谢动力学和加入各种能量代谢相关抑制剂的实验证实所加入的核苷酸主要是利用其高能磷酸键来促进mRNA的转运。后来Agutter利用提取的大鼠细胞核膜进行实验发现核膜上存在一种核苷三磷酸酶(Nucleoside triphosphatase,NTPase),该酶通过水解含高能磷酸键的核苷酸提供能量以促进mRNA的转运,至此NTPase的研究就一直成为了人们研究mRNA跨核被膜转运及释放表达的焦点[1]。近来,研究发现NTPase不但存在于核被膜上,在细胞器的其它部位[2]也存在NTPase,在功能上还发现NTPase及其能量代谢与弓型虫出入细胞、病毒的感染有关。

  1 核被膜核苷三磷酸酶

  核被膜核苷三磷酸酶(NTPase)是一种在镁、钙、锰或钴二价离子的存在下能水解ATP、2'-dATP、UTP、GTP、CTP、TTP等多种三磷酸核苷端高能β-γ磷酸二脂键并释放出能量的分解酶类,该酶为E.C.3.6.1.4。与通常的ATPase和GT-Pase核苷三磷酸酶不同,作用基质范围更为广泛,其酶活性能为RNA所刺激,也能为cAMP所调节,核被膜上的核苷三磷酸酶具有多种报道形式。例如Agutter在大鼠肝细胞、猪肝细胞和SV40转化小鼠胎3T3细胞中获得一种镁离子依赖的NTPase,最适pH为8.0,该酶能被汞、砷、槲皮素、Proflavin和5'-巯基三磷酸腺苷所抑制,高离子强度溶液与超声波的处理可使酶失活,但作用于任何三磷酸核苷酸基质的动力学性质都一样,核被膜酶的活性符合一级动力学特点;又如Schroder从大鼠肝细胞核被膜上通过Triton-100膜稳定法、三步连续亲和层析与SDS-PAGE鉴定获得了一种分子量为40kDa的蛋白质,该蛋白能水解各种NTP,但水解ATP和GTP的效率高于水解UTP和CTP效率的一倍,能激活该酶的二价阳离子包括Ca、Mn和Mg离子,最适pH偏碱,最适温度为34℃。

  此外,核被膜核苷三磷酸酶(NTPase)包括大鼠肝细胞核膜NTPase、骨骼肌细胞核膜钙依赖性NTPase、大鼠心肌细胞核膜镁离子依赖性NTPase等多种报道形式。其中根据对镁和钙离子的敏感性,可将核苷三磷酶(NTPase)分为不同的亚型,如大鼠心室肌细胞核膜NTPase是镁离子依赖的。大鼠心肌细胞核膜镁离子依赖型NTPase对于不同底物,水解活性各不相同,水解活性依次为UTP>GTP>ITP>CTP[3]。

  2 核被膜结构、核苷三磷酸酶(NTPase)及成熟mRNA的出核转运

  细胞核被膜上大约含有20多种蛋白质,占核膜60%~70%;脂质以磷脂为主,其中磷脂酰胆碱、磷脂酰丝氨酸约占总脂质35%,核被膜的结构主要可分为内外核膜结构、核孔复合体和核纤层三个部分,无论是核内蛋白从胞浆进入细胞核内,还是mRNA等从核内进入胞浆都要经过核孔复合体,因此核孔复合体对于胞浆与核内物质的转运都具有十分重要的意义。现已经在核孔复合体中发现有Importinβ、RanG tpase、Importinα[4];Rip1、Glel和Nup1[5]等转运相关蛋白的存在,均与成熟mRNA的出核转运有关,而核被膜NTPase对于转运提供所需能源具有特殊的意义。

  真核细胞的RNA一般要经过转录后加工、修饰成为成熟RNA后才能被转运到细胞浆中,并且该转运过程需要能量。由RNA聚合酶II转录的RNA分子(mRNA及snRNA)在转运前必须在核仁内进行修饰,即在mRNA的5'端加上m7GpppN帽子结构,3'端加上polyA尾的结构使之变为成熟mRNA,然后成熟mRNA再与含有NRM结构(nucleporin rNA binding motif)的核蛋白结合并装配成RNP颗粒(ribonucleoprotein,RNP),其中细胞核内能参与结合mRNA核蛋白包括有hn rNPA1、CBP80和CBP20等。在作核被膜的跨膜转运时,RNP的蛋白部分在核孔复合体上需要为性质完全不同的另一组蛋白质如RanGTPase、RCC1和RNA1所取代,形成mRNA复合物[6]。这里成熟mRNA的polyA结构能激活核孔复合体上的NT-Pase活性[7],NTPase所产生的能量促进mRNA通过核孔。因此不具有polyA尾的mRNA分子就无法以这种形式转运,如成年大鼠脑组织中约一半以上的细胞RNA就不是NTPase依赖的方式转运的。最后mRNA复合物中的mRNA被胞浆中如Rip蛋白所结合,mRNA上的其它蛋白则返回核内。由此可见,成熟mRNA的出核转运是一种耗能且需载体的主动转运过程。

  3 核被膜核苷三磷酸酶(NTPase)活性的调节

  核被膜上NTPase的活性与核膜结构的完整性息息相关,因此任何能影响细胞核膜结构的因素几乎都可以影响核膜NTPase活性。膳食中脂肪含量可影响NTPase的活性与核膜中的脂质组成及胆固醇含量,喂食高P/S膳食的大鼠肝细胞核膜上C18:2ω6水平增加,NTPase酶活性升高[8];核膜上胆固醇及其氧化产物等均可直接影响NTPase的活性;JCR:LA-cp肥胖大鼠肝细胞核膜上胆固醇含量变化可调节其酶的活性[9]。致癌物黄曲霉毒素、DM-NA等低剂量时可使NTPase酶活性增加,而致癌物高剂量时其毒性作用则可掩盖NTPase酶的活性变化,推测NTPase酶活性变化可能是致癌剂使细胞核膜发生膨胀的结果,此可部分解释某些肿瘤发生过程中为什么成熟mRNA要发生转运的增加[10]。同样细胞核膜上自由基的变化也可影响核被膜NTPase的活性,进而影响成熟mRNA的转运过程。

  电镜和荧光光子漂白扫描技术证实大鼠肝细胞核膜上存在胰岛素结合位点,胰岛素与其核膜上相应位点的结合后,可通过核膜上NTPase酶的活性变化[11],和核孔actinomyosin样收缩器的定向作用来影响生物大分子包括mRNA在内的特异性出核转运;同样核膜上有甲状腺素和类固醇结合位点以及EGF受体,它们在与其配体结合后,通过核膜空间结构的改变或者通过其它途径,影响NTPase活性和生物分子的跨核膜转运。6月龄肥胖雌性大鼠肝细胞核膜NTPase酶活性明显高于相应大鼠NT-Pase的活性,且NTPase的Vmax值随年龄的增加而增加,提示其NTPase活性变化可能是体内雌激素经核膜受体作用的结果[12]。

  分子生物学的发展尤其是Northern杂交技术的简化使人们能从mRNA水平推测蛋白质的表达情况,但是mRNA和蛋白质的变化发展显然是不平行的。自从细胞核膜NTPase被发现与确认以来,人们越来越感到要研究蛋白功能的实验必须补充了解mRNA的特异转运。Gupta报道大鼠心肌细胞核膜NTPase受去磷酸化作用调节[13],因此由激素或其它因子引起信号转导作用,经细胞核膜NTPase的活性变化调节mRNA的特异转运,可能会成为今后进一步研究代谢调控的重点。

  参考文献

  1 PS Agutter,HJ McArdle,B mcCaldin.Nature,1976,263:165-167

  2 gP Sabbatini,PJ Smith,C Von Hlt.Biochim Biophys Acta,1993;1153:132-134

  3 rC Cupta,EF Yong,DG Ferguson,Mol Cell Biochem,1991;102:201-207

  4 u Kutay,E Izaurralde,FR Bischoff,et al.EMBO J,1997;16:1153-1163

  5 r Murphy,SR Wente,Nature,1996;383:357-360


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