核膜孔

核膜孔（Nuclear pore）

核膜孔は、真核生物の細胞核を囲む核膜に存在する、核の内外を連絡する構造体です。核膜の内膜と外膜が融合した部分に位置し、核と細胞質との間の物質輸送を担う重要な役割を果たしています。

概要

核膜孔には、核膜孔複合体と呼ばれる巨大なタンパク質複合体が配置されています。この複合体は、8個のサブユニットが回転対称に配置された複雑な構造を持ち、核と細胞質間の物質の移動を厳密に制御しています。脊椎動物の細胞では、1つの核あたり約1000個もの核膜孔複合体が存在しますが、その数は細胞の種類や状態によって変動します。

核膜孔を介した物質輸送は、細胞の生命維持に不可欠です。核から細胞質へは、RNAやリボソームタンパク質が輸送され、細胞質から核内へは、DNAポリメラーゼやラミンなどの核タンパク質、炭水化物、シグナル伝達物質、脂質などが輸送されます。比較的小さな分子は核膜孔を自由に拡散できますが、大きな分子は特定のシグナル配列によって認識され、ヌクレオポリンと呼ばれる核膜孔複合体の構成タンパク質の助けを借りて輸送されます。驚くべきことに、各核膜孔複合体は毎秒1000個もの分子を輸送できるとされています。ヌクレオポリンを介した輸送は、直接的にはエネルギーを必要としませんが、RANサイクルに関連した濃度勾配に依存しています。

構造

核膜孔の数は細胞の種類や状態によって大きく異なります。例えば、出芽酵母では1核あたり平均100個強、ラットNRK細胞では1700個前後という報告があります。

ヒトの核膜孔複合体は約110MDaの巨大な構造体であり、ヌクレオポリンと呼ばれるタンパク質によって構成されています。核膜孔複合体は、少なくとも456個のタンパク質分子からなり、34種類の異なるヌクレオポリンを含んでいます。ヌクレオポリンの約半数はソレノイド状のタンパク質ドメインを持ち、残りの半数は柔軟な構造を持つFGヌクレオポリンです。FGヌクレオポリンには、フェニルアラニンーグリシンの反復配列が多数存在します。

核膜孔複合体全体の直径は、脊椎動物でおよそ120nmです。チャネルの直径は生物種によって異なり、ヒトでは5.2nm、アフリカツメガエルでは10.7nmです。深さはおよそ45nmです。核膜孔複合体は、細胞質側には細胞質フィラメント、核質側には核バスケットと呼ばれる構造が突き出ており、これらの構造が輸送過程で重要な役割を果たします。孔の中心部にはプラグと呼ばれる構造が存在しますが、その役割はまだ完全には解明されていません。

輸送メカニズム

小さな粒子（30-60kDa以下）は、受動拡散によって核膜孔複合体を通過できます。より大きな粒子も受動拡散で通過できますが、分子量に応じて速度が低下します。効率的な輸送には、核輸送受容体と呼ばれるタンパク質因子が必要です。核輸送受容体は、積み荷分子に結合し、核膜孔複合体を介した核内への輸送（インポーチン）または核外への輸送（エクスポーチン）を媒介します。カリオフェリンは、最も大きな核輸送受容体のファミリーであり、数十種類のインポーチンとエクスポーチンが含まれています。

核内輸送では、核局在化シグナル（NLS）を持つタンパク質がインポーチンによって認識され、核内へ輸送されます。一方、核外輸送では、核外搬出シグナル（NES）を持つタンパク質がエクスポーチンによって認識され、核外へ輸送されます。これらの輸送過程は、RanGTPの濃度勾配によって駆動され、エネルギー依存的な能動輸送として機能します。

RNAの核外輸送には、RNAの種類ごとに異なる経路が存在します。mRNA以外のRNAはRanGTPに依存した経路で輸送されますが、mRNAの核外輸送には、Mex67/TapとMtr2/p15と呼ばれる核外輸送因子が必要です。高等生物では、mRNAの核外輸送はスプライシング依存的であると考えられています。

構築と解体

核膜孔複合体は、ゲノムへのアクセスを制御しているため、大量の転写が必要な細胞周期のステージでは、多数の核膜孔複合体が必要です。核膜孔複合体は、Nup複合体と呼ばれるタンパク質複合体がクロマチンに結合し、膜の融合を引き起こすことによって形成されると考えられています。有糸分裂の期間中には、核膜孔複合体は段階的に解体されます。解体は、まず周縁部に位置するNup98の解離から始まり、リン酸化によって駆動されると考えられています。

核膜孔複合体は、細胞の生命活動に不可欠な構造体であり、その構造や機能、輸送メカニズムの解明は、生命科学における重要な課題となっています。

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