Moleküllerin çekirdek ve –Moleküllerin çekirdek ve –sitozol arasında taşınımısitozol arasında taşınımı

Prof.Dr.Gönül KanıgürProf.Dr.Gönül Kanıgür

NUKLEUSNUKLEUS

Nukleus zarfıNukleus zarfı İç İç membran membran Perinuklear aralık Perinuklear aralık Dış membranDış membran

KromatinKromatin DNA+Protein DNA+Protein(Histon ve (Histon ve

Histon olmayan proteinler)Histon olmayan proteinler) NukleolusNukleolus NukleoplazmaNukleoplazma (Nukleus matriksi) (Nukleus matriksi)

NUKLEAR POR KOMPLEKSİNUKLEAR POR KOMPLEKSİ

Görevi:Görevi: Nukleus ile sitoplazma arasındaki seçici trafikNukleus ile sitoplazma arasındaki seçici trafik S fazındaki bir hücrede nukleus içine 3 dk. da 10S fazındaki bir hücrede nukleus içine 3 dk. da 1066

histon girerhiston girer

Aktif bir hücre nukleusunun her Aktif bir hücre nukleusunun her µµ22’sinde 15-20 ’sinde 15-20 por por kompleksi bulunur (tüm nukleusta 3000-4000 por)kompleksi bulunur (tüm nukleusta 3000-4000 por)– Örn: oosit nukleusu 50 milyon por kompleksi içerirÖrn: oosit nukleusu 50 milyon por kompleksi içerir

İnaktif bir hücre nukleusunda her İnaktif bir hücre nukleusunda her µµ22’de 1-3 por bulunur’de 1-3 por bulunur– Örn: kurbağa eritrositiÖrn: kurbağa eritrositi

1.1. Nukleus ve Sitosol Arasındaki TaşınımNukleus ve Sitosol Arasındaki Taşınım*Kontrollü transport (“Gated Transport”). *Kontrollü transport (“Gated Transport”).

Bu mekanizmada, Bu mekanizmada, nukleus porlarınukleus porları, , seçici bir kapı seçici bir kapı gibigibi fonksiyon gösterir. fonksiyon gösterir.

Nukleusa özgü, makromolekülleri ve Nukleusa özgü, makromolekülleri ve makromoleküllerin birleşmesiyle oluşan makromoleküllerin birleşmesiyle oluşan moleküllerin moleküllerin aktif transport ile, aktif transport ile,

küçük moleküllerin ise küçük moleküllerin ise difüzyon iledifüzyon ile geçişini geçişini sağlarlar.sağlarlar.

NUKLEAR POR KOMPLEKSİNUKLEAR POR KOMPLEKSİ

Yapısı :Yapısı : ~ 1000 A~ 1000 Aoo çapında çapında 8 çevresel granül, bir merkezi granül 8 çevresel granül, bir merkezi granül

(Negatif boyama yöntemi ile EM’de)(Negatif boyama yöntemi ile EM’de) Nukleoporinler denen 100 çeşit protein Nukleoporinler denen 100 çeşit protein

içeririçerir

Nüklear Por KompleksleriNüklear Por Kompleksleri NPK, merkezi bir kanal (90 nm NPK, merkezi bir kanal (90 nm

uzunluğunda) etrafında dizilmiş uzunluğunda) etrafında dizilmiş sekiz çubuk ve çubukların sekiz çubuk ve çubukların tutunduğu halkalardan oluşur. tutunduğu halkalardan oluşur.

Bu yapı iç ve dış nüklear Bu yapı iç ve dış nüklear membranla birleşmiştir. membranla birleşmiştir.

Halkalardan sitoplazmik yüzde Halkalardan sitoplazmik yüzde olana “olana “Sitoplazmik HalkaSitoplazmik Halka”, ”,

Nüklear yüzde olana ise Nüklear yüzde olana ise “ “Nüklear HalkaNüklear Halka” denir. ” denir.

Sitoplazmik halkadan sitoplazmik filamanlar uzanır. Nüklear halkadan ise basket filamanları uzanarak

Terminal halka ile birleşerek “Nüklear basketi” oluşturur.

Nüklear lamina ile etkileşir.

NÜKLEAR TRANSPORTNÜKLEAR TRANSPORT

Moleküller Moleküller NPK’lerinden iki NPK’lerinden iki yolla geçerler;yolla geçerler;

– Pasif DifüzyonPasif Difüzyon

– Aktif TransportAktif Transport

NPK yoluyla saniyede 1000 molekül geçiş yapar.

NÜKLEAR TRANSPORTNÜKLEAR TRANSPORT

Pasif DifüzyonPasif Difüzyon: :

Ufak moleküller ve Ufak moleküller ve 20 kdalton’dan daha küçük 20 kdalton’dan daha küçük proteinler bu yolla geçer. proteinler bu yolla geçer.

Bu mekanizmanın kullanıldığı NPK çapı 9 nm’dir.

Geçiş çift yönlüdür.

NÜKLEAR TRANSPORTNÜKLEAR TRANSPORT

Aktif TransportAktif Transport

Enerji harcanarak Enerji harcanarak gerçekleşen seçici bir gerçekleşen seçici bir transporttur.transporttur.

Bu mekanizmanın kullanıldığı NPK çapı ortalama 25 nm’dir (9-40nm).

Molekül geçişi uygun bir sinyale yanıt olarak tek yönlü olarak gerçekleşir.

Bir memeli hücresi, Bir memeli hücresi, 10 milyar protein içerir10 milyar protein içerir ve ve çoğunun sentezi sitosolde gerçekleşir çoğunun sentezi sitosolde gerçekleşir ve ve yeni sentezlenen her bir protein, yeni sentezlenen her bir protein,

bulunması gereken organele taşınır.bulunması gereken organele taşınır. Her bir organel membranı, Her bir organel membranı, o organele özgü o organele özgü

proteinlerinproteinlerin, organel içine girişini sağlayan, , organel içine girişini sağlayan, özgün transport sistemine sahiptirözgün transport sistemine sahiptir..

Sitosolde,Sitosolde,taşıdıkları sinyal dizilere bağlıtaşıdıkları sinyal dizilere bağlı Sinyal dizisi taşıyan ve taşımayan Sinyal dizisi taşıyan ve taşımayan proteinler bulunmaktadır. proteinler bulunmaktadır.

1.1. sinyal diziye sahip olmıyan sinyal diziye sahip olmıyan proteinler proteinler sitosolde kalırlar.sitosolde kalırlar.

1.1. Sinyal diziye sahip olanlar ise, Sinyal diziye sahip olanlar ise, bu dizinin yönlendirmesine bu dizinin yönlendirmesine göregöre, , sitosolden sitosolden

nukleusa, nukleusa, ER’a, ER’a, mitokondriye, mitokondriye, plastidlere ya da plastidlere ya da peroksizoma taşınır. peroksizoma taşınır.

Pozitif yüklü a.a : kırmızı Pozitif yüklü a.a : kırmızı Negatif yüklü a.a : yeşilNegatif yüklü a.a : yeşil

Hidrofobik a.a : sarıHidrofobik a.a : sarı Hidroksilli a.a : maviHidroksilli a.a : mavi

NUKLEUS İÇİNE VE DIŞINA TAŞINIMNUKLEUS İÇİNE VE DIŞINA TAŞINIM Nukleus içinde aktif olan histon proteini, Nukleus içinde aktif olan histon proteini, DNA polimeraz ve DNA polimeraz ve RNA polimeraz, RNA polimeraz, Düzenleyici proteinler Düzenleyici proteinler RNA'nın işlenmesinde etkili olan proteinler RNA'nın işlenmesinde etkili olan proteinler

sentezlendikleri sitosolden, nukleusa seçici sentezlendikleri sitosolden, nukleusa seçici bir şekilde taşınır. bir şekilde taşınır.

Bazı durumlarda transport işlemleri oldukça Bazı durumlarda transport işlemleri oldukça karmaşıktır. karmaşıktır.

Örneğin ribozomal proteinler sitosolde Örneğin ribozomal proteinler sitosolde sentezlenir, ve nukleusun içine taşınır. sentezlenir, ve nukleusun içine taşınır.

Nukleusta yeni sentezlenmiş ribozomal Nukleusta yeni sentezlenmiş ribozomal RNA ile birleşir ve tekrar sitosole transfer RNA ile birleşir ve tekrar sitosole transfer olur. olur.

Herbir aşama, seçici bir transport işlemi Herbir aşama, seçici bir transport işlemi gerektirir. gerektirir.

NÜKLEAR TRANSPORTNÜKLEAR TRANSPORTNüklear TransportNüklear Transport

İki kompartman arasında İki kompartman arasında mmakromoleküllerin taşınımı ile akromoleküllerin taşınımı ile ilgili nüklear taşınım reseptörler ilgili nüklear taşınım reseptörler vardır ve bunlara vardır ve bunlara karyoferinlerkaryoferinler denir.denir.

Karyoferin reseptörlerine Karyoferin reseptörlerine İmportin-İmportin-ββ ailesi de denir. ailesi de denir.

İmportin-İmportin-ββ ailesinin en az 20 ailesinin en az 20 üyesi vardır. üyesi vardır.

Bu üyelerden bazılarının görevi makromoleküllerin sitoplazmadan nükleusa taşınması (import-importinler) diğerlerinin görevi ise makromoleküllerin nükleustan sitoplazmaya taşınmasıdır (eksport-eksportinler).

Moleküllerin Nükleus İçine TaşınmasıMoleküllerin Nükleus İçine Taşınması

NLS dizileri genellikle NLS dizileri genellikle bazik amino asitlerdenbazik amino asitlerden (lizin, arginin) zengin dizilerdir. (lizin, arginin) zengin dizilerdir.

Bazen bu diziler bölünmüş iki dizi şeklinde olabilir. Bazen bu diziler bölünmüş iki dizi şeklinde olabilir. Aradaki dizilerin fonksiyonu yoktur.Aradaki dizilerin fonksiyonu yoktur.

Farklı dizileri tanıyan reseptörler vardır.Farklı dizileri tanıyan reseptörler vardır. Enerji gerektiren bir taşımadır.Enerji gerektiren bir taşımadır.

Moleküllerin Nükleus Dışına TaşınmasıMoleküllerin Nükleus Dışına Taşınması Nüklear kompartmandan sitoplazmik Nüklear kompartmandan sitoplazmik

kompartmana geçecek moleküller ise kompartmana geçecek moleküller ise NES (nükleer çıkış sinyali)NES (nükleer çıkış sinyali) taşır. taşır.

Bu diziler lösince (Leu) zengin dizilerdir.Bu diziler lösince (Leu) zengin dizilerdir. Enerji gerektiren bir taşımadır.Enerji gerektiren bir taşımadır.

NUKLEUSA PROTEİN TAŞINMASINUKLEUSA PROTEİN TAŞINMASI

1.1. Nukleusa taşınacak olan proteindeki(Kargo Nukleusa taşınacak olan proteindeki(Kargo protein) NLS dizisine sitozolik bir reseptör protein) NLS dizisine sitozolik bir reseptör

proteinin (proteinin (importinimportin).Ran GDP kompleksinin ).Ran GDP kompleksinin baglanmasıbaglanması

2.2. İmportin.Ran GDP-kargo protein kompleksinin İmportin.Ran GDP-kargo protein kompleksinin Nuklear por kompleksinin sitoplazmik Nuklear por kompleksinin sitoplazmik

flamanlarına flamanlarına tutunmatutunma (enerji gerekmez) (enerji gerekmez)

3.3. Por kompleksinden Por kompleksinden geçişgeçiş))

İmportinlerİmportinler por kompleksindeki por kompleksindeki nukleoporinlerenukleoporinlere bağlanır bağlanır

NukleoporinlerNukleoporinler kısa aminoasit tekrarları kısa aminoasit tekrarları ((fenilalanin ve glisin tekrarları = fenilalanin ve glisin tekrarları = FG tekrarlarıFG tekrarları) içerirler) içerirler

İmportinler İmportinler FG tekrarlarınaFG tekrarlarına bağlanır bağlanır

4.guannin nükleotid degişim faktörünün 4.guannin nükleotid degişim faktörünün (RanGEF) aktivasyonu ile RanGDP,RanGTP (RanGEF) aktivasyonu ile RanGDP,RanGTP haline geçişi ile kargo proteini serbestlerhaline geçişi ile kargo proteini serbestler

5.importin.RanGTP kompleksi çekirdek 5.importin.RanGTP kompleksi çekirdek porundan dışarı çıkarporundan dışarı çıkar

6.yeni bir taşınım için Ran.GTPnin Ran GDP 6.yeni bir taşınım için Ran.GTPnin Ran GDP halinegeçişi(RanGAPtarafından hidrolizi)halinegeçişi(RanGAPtarafından hidrolizi)

Proteinler nukleusa iki aşamada taşınır. Proteinler nukleusa iki aşamada taşınır. ““Nuclear localization sequence” (NLS) sinyal diziNuclear localization sequence” (NLS) sinyal dizi importin importin

proteiniproteini tarafından tanınır. tarafından tanınır. Importin Importin b,b, nukleus por kompleksine ait nukleus por kompleksine ait sitoplazmik sitoplazmik

flamentlere bağlanırflamentlere bağlanır ve ve hedef proteini pora yaklaştırırhedef proteini pora yaklaştırır. . Protein ve importin aProtein ve importin a birliktebirlikte Ran proteini tarafından,Ran proteini tarafından, enerji enerji

harcanması ile harcanması ile pordan içeri taşınır. pordan içeri taşınır.

Nukleus içinden dışına taşınımNukleus içinden dışına taşınım ““Nuclear export signal sequence”(NES)Nuclear export signal sequence”(NES) taşıyan hedef taşıyan hedef

protein, protein, eksportin eksportin Ran/GTPRan/GTP birlikte nukleusta bir birlikte nukleusta bir kompleks kompleks yapıyapı oluşur. oluşur.

Bu kompleks yapının pordan sitosole geçmesiyle Bu kompleks yapının pordan sitosole geçmesiyle Ran GAPRan GAP, , GTP bağının hidrolizini yaparakGTP bağının hidrolizini yaparak Ran/GDP’yiRan/GDP’yi oluşturur ve oluşturur ve hedef proteinhedef protein ve ve eksportin eksportin sitoplazmada serbest duruma sitoplazmada serbest duruma gelir. gelir.

Eksportin daha sonra tekrar nukleusa döner.Eksportin daha sonra tekrar nukleusa döner.

Nukleusa protein taşınmasını Nukleusa protein taşınmasını düzenleyen mekanizmalardüzenleyen mekanizmalar

1. 1. Sitoplazmik proteinler NLSyi Sitoplazmik proteinler NLSyi örter(inhibitör protein)taşınma olmaz.örter(inhibitör protein)taşınma olmaz.

İnhibitör fosforile edilir ve yıkılırsa İnhibitör fosforile edilir ve yıkılırsa Özgün protein nukleusa girer.Özgün protein nukleusa girer.2.NLS yakınında fosforilasyon sonucu 2.NLS yakınında fosforilasyon sonucu

protein tanınamaz ve taşınamaz.protein tanınamaz ve taşınamaz. Defosforilasyon sonucu NLS açığa çıkar.Defosforilasyon sonucu NLS açığa çıkar. Taşınma gerçekleşir.Taşınma gerçekleşir.

Nukleustan Sitoplazmaya RNA Nukleustan Sitoplazmaya RNA TaşınmasıTaşınması

RNA’lar nükleus zarfından ribonükleoprotein (RNP) kompleksleri olarak taşınırlar. Kompleksteki bazı proteinler nükleer taşıma reseptörleri tarafından tanınan “nukleer çıkış sinyali” taşırlar.

Ökaryot hücrelerde mRNA’ların, rRNA’ların Ökaryot hücrelerde mRNA’ların, rRNA’ların ve tRNA’ların nükleustan çıkışı gen ve tRNA’ların nükleustan çıkışı gen

ekspresyonunda kritik bir basamaktır. ekspresyonunda kritik bir basamaktır.

RNA’ların nükleer por kompleksinden (NPC) RNA’ların nükleer por kompleksinden (NPC) dışarı gönderilmesi aktif ve GTP bağlayan dışarı gönderilmesi aktif ve GTP bağlayan protein Ran’a ihtiyaç duyulan enerji bağımlı protein Ran’a ihtiyaç duyulan enerji bağımlı

bir olaydır. bir olaydır.

RNA’ların EksportuRNA’ların Eksportu

Sitoplazmada görev yapacak olanSitoplazmada görev yapacak olan – rRNA rRNA – mRNA mRNA – tRNAtRNA

Nükleustan sitoplazmaya RNP’ler şeklinde Nükleustan sitoplazmaya RNP’ler şeklinde taşınırlar. taşınırlar.

Kompleksteki bazı proteinler NES taşır.Kompleksteki bazı proteinler NES taşır.

Ökaryot hücrelerde mRNA’ların, rRNA’ların Ökaryot hücrelerde mRNA’ların, rRNA’ların ve tRNA’ların nükleustan çıkışı gen ve tRNA’ların nükleustan çıkışı gen

ekspresyonunda kritik bir basamaktır. ekspresyonunda kritik bir basamaktır.

RNA’ların nükleer por kompleksinden (NPC) RNA’ların nükleer por kompleksinden (NPC) sitozole gönderilmesi ,GTP bağlayan sitozole gönderilmesi ,GTP bağlayan

protein Ran’a ihtiyaç duyulan enerji bağımlı protein Ran’a ihtiyaç duyulan enerji bağımlı bir transport olayıdır. bir transport olayıdır.

RNA’lar nükleus zarfından ribonükleoprotein (RNP) kompleksleri olarak taşınırlar. Kompleksteki bazı proteinler nükleer taşıma reseptörleri tarafından tanınan “nukleer çıkış sinyali” taşırlar.

RNA’ların EksportuRNA’ların Eksportu

a)a) rRNA’larrRNA’lar ribonükleoprotein ribonükleoprotein şeklinde bulunurlar şeklinde bulunurlar (rRNA + ribozomal (rRNA + ribozomal protein) Ribozomal protein) Ribozomal proteinlerdeki NES proteinlerdeki NES sayesinde eksportinler sayesinde eksportinler tarafından tanınarak tarafından tanınarak sitoplazmaya transport sitoplazmaya transport gerçekleşirgerçekleşir

b)b) tRNA’lartRNA’lar ile etkileşen ile etkileşen Exportin-tExportin-t onun onun sitoplazmaya taşınmasını sitoplazmaya taşınmasını sağlarsağlar..

mRNA ların Nukleustan sitoplazmaya mRNA ların Nukleustan sitoplazmaya taşınmasıtaşınması

Olgun m-RNA taşınmasıOlgun m-RNA taşınmasıSadece olgun mRNA’lar nukleustan dışarı taşınırlarSadece olgun mRNA’lar nukleustan dışarı taşınırlar

İlk transkriptİlk transkript öncül-m-RNA öncül-m-RNA Kırpılma = intron dizilerinin kesilip çıkarılmasıKırpılma = intron dizilerinin kesilip çıkarılması Olgun-mRNA Olgun-mRNA

dışarı taşınma (por kompleksinden)dışarı taşınma (por kompleksinden)

Pre-mRNA’lar ve mRNA’lar nükleusda işlenmeleri süresince ve sonunda sitoplazmaya taşınmaları

sırasında, en az 20 proteinlik bir setle (pre-mRNA – protein kompleksi oluşturarak)

ilişkilenirler. En az iki mRNP proteini nukleer çıkış sinyaline sahiptir ve mRNAların

sitoplazmaya taşınmasında işlev gördükleri düşünülmektedir.

mRNA’nın transferimRNA’nın transferi

Nükleustaki olgun-mRNA en az 20 Nükleustaki olgun-mRNA en az 20 protein ile ilişkilidir. protein ile ilişkilidir.

Bunlar arasında NES taşıyan Bunlar arasında NES taşıyan hnRNP’ler , Ran-GTP ve eksportu hnRNP’ler , Ran-GTP ve eksportu sağlayan exportin benzeri proteinler sağlayan exportin benzeri proteinler (Exportin 1) vardır.(Exportin 1) vardır.

Nükleer por kompleksinden çıkışta Nükleer por kompleksinden çıkışta NES taşıyan hnRNP’ler ayrılır.NES taşıyan hnRNP’ler ayrılır.

Sitoplazmaya çıkan Ran-GTP Sitoplazmaya çıkan Ran-GTP hidrolizlenir. Kompleks dağılır.hidrolizlenir. Kompleks dağılır.

hnRNP, Ran/GDP ve exportin 1 hnRNP, Ran/GDP ve exportin 1 nükleusa geri döner.nükleusa geri döner.

Sitoplazmik mRNA’ya sitoplazmik Sitoplazmik mRNA’ya sitoplazmik mRNP’ler bağlanır. mRNP’ler bağlanır.

snRNAlar ise, RNA işleme mekanizmasının bileşeni snRNAlar ise, RNA işleme mekanizmasının bileşeni olarak çekirdekte görev yaparlar. olarak çekirdekte görev yaparlar.

snRNAlar önce nukleustan sitoplazmaya taşınarak snRNAlar önce nukleustan sitoplazmaya taşınarak burada proteinlerle birleşip işlevsel snRNPler burada proteinlerle birleşip işlevsel snRNPler oluşturduktan sonra nukleusa geri dönerler.oluşturduktan sonra nukleusa geri dönerler.

snRNAların 5’ uçlarına bağlanan taşıyıcı reseptör snRNAların 5’ uçlarına bağlanan taşıyıcı reseptör proteinlerin, snRNAların sitoplazmaya proteinlerin, snRNAların sitoplazmaya

taşınmasında görev aldıkları düşünülmektedir.taşınmasında görev aldıkları düşünülmektedir.

rRNAlar önce ribozomal proteinlerle ve rRNAlar önce ribozomal proteinlerle ve RNA işleyen proteinlerle birleşirler. Yeni RNA işleyen proteinlerle birleşirler. Yeni

oluşan 60S ve 40S ribozomal alt oluşan 60S ve 40S ribozomal alt birimler birimler

sitoplazmaya taşınır. Nukleustan çıkışları sitoplazmaya taşınır. Nukleustan çıkışları alt birim kompleksinde yer alan alt birim kompleksinde yer alan

proteinlerin “nukleustan çıkış sinyalleri” proteinlerin “nukleustan çıkış sinyalleri” ile yönlendirilirile yönlendirilir..