Kerntransport von Proteinen, Transportvorgang von nukleären (karyophilen) Proteinen, i.w.S. auch von mit Proteinen assoziierten Nucleinsäuren, der aufgrund der durch die Kernhülle vollzogenen Trennung von Nucleoplasma (Kernplasma) und Cytoplasma notwendig ist ( vgl. Abb. ). Der Zellkern eukaryotischer Zellen (Eucyte) enthält eine besondere Proteinausstattung, die es erlaubt, die genetische Information zu handhaben. Die RNA-Synthese findet nur im Zellkern, die Proteinsynthese dagegen nur im Cytoplasma statt. Nach der Synthese im Cytoplasma gelangen diese Kernproteine über die Kernporen (Kernporenkomplex) durch die Kernhülle spezifisch in den Zellkern, nicht aber in andere Organellen. Die Kernporen sind komplizierte Strukturen aus rund 100 Proteinen, die kleinen Proteinen (kleiner als 40 kDa) einen passiven Transport ermöglichen. Größere Proteine, die in den Zellkern gelangen müssen, besitzen als topogene Signale verschiedene Typen von spezifischen Import-Signalen, von denen die sog. nuclear-localization-Sequenz (NLS, Kernlokalisationssequenz; Kernlokalisationssignal) sowie die M9-Domäne (Import- und Export-Signal) am besten charakterisiert sind. Bei Untersuchungen zur Akkumulation des T-Antigens des SV40-Virus (Polyomaviren) im Zellkern fand man als NLS ein kurzes Peptid aus vorwiegend basischen Aminosäuren: –Pro–Lys–Lys–Lys–Arg–Lys–Val–. Inzwischen sind mehrere solcher Kernlokalisationssequenzen aus einem oder mehreren Clustern basischer Aminosäuren beschrieben worden. Sie sind hochspezifisch; die Entfernung von nur 1 Aminosäure kann bereits die Kerntranslokation verhindern. Die M9-Domänen verschiedener Proteine weisen Identität in einigen Aminosäureresten auf. Proteine mit ständiger Lokalisation im Zellkern tragen eine NLS-Sequenz. Shuttle-Proteine, die zwischen Cytoplasma und Kerninnerem hin- und herwandern, weisen eine M9-Domäne auf. Beide Signalstrukturen sind nicht terminal lokalisiert und bleiben nach erfolgtem Transport im Protein erhalten. Im Cytoplasma befindliche Transportrezeptoren erkennen die Signalstrukturen der für den Zellkern bestimmten Proteine. Import und Export von Proteinen werden über eine Reihe von Transportrezeptoren, die Importine und Exportine, vermittelt, die derselben Proteinfamilie, der sog. β-Importin-ähnlichen Proteinfamilie oder auch einfach Importin/Exportin-Familie, angehören. Die Mitglieder dieser Proteinfamilie zeigen eine auffallende Ähnlichkeit in der aminoterminalen Domäne, die sich als Ran-bindende Domäne (s.u.) herausgestellt hat.
Die gut untersuchte NLS-Sequenz wird im Cytoplasma vom α,β-heterodimeren Importin (Karyopherin-α/β1) erkannt. Die α-Untereinheit besitzt einen NLS-bindenden Bereich im carboxyterminalen Abschnitt und ist damit für die Erkennung der NLS-Sequenz zuständig; am aminoterminalen Ende befindet sich eine Domäne zur Erkennung und Bindung der β-Untereinheit. Die β-Untereinheit vermittelt den Kontakt des trimeren Komplexes aus α,β-Importin und Protein an die Kernpore. Der eigentliche Transport durch die Pore wird unter Beteiligung des kleinen G-Proteins Ran (ras-related nuclear protein) und weiterer Faktoren, z.B. vom nucleären Transportfaktor 2 (NTF2), vollzogen. Durch die von Ran katalysierte GTP-Hydrolyse wird vermutlich die Energie für den Import bereitgestellt. Der trimere Komplex aus NLS-Protein, α- und β-Importin gelangt schließlich ins Kerninnere. Dort liegt Ran in der GTP-Form vor; in dieser Form bindet es an die aminoterminale Domäne der β-Importin-Untereinheit des trimeren Komplexes, wodurch dieser dissoziiert. Das transportierte Protein verbleibt im Zellkern, während α-Importin und der Komplex β-Importin/Ran-GTP den Zellkern wieder verlassen. Der Export der im Kern freigesetzten α-Importin-Untereinheit erfolgt wiederum mittels eines Exportrezeptors, genannt Exportin/CAS. In Gegenwart von Ran-GTP kommt es zur kooperativen Bindung von Ran-GTP, Exportin und α-Importin, was als Voraussetzung für den Export vom α-Importin gilt. Ran-GTP wird im Cytoplasma über das Ran-GTPase-aktivierende Protein (RanGAP) in Ran-GDP überführt, welches wieder in den Zellkern wandert. Da die Bindung zwischen Ran-GTP und der Importinuntereinheit sehr fest ist, scheint ein weiteres Protein, das sog. RanBP (Ran-Bindeprotein), für den Einsatz des RanGAP notwendig zu sein. Im Nucleoplasma wird Ran-GDP über den Ran-Guaninnucleotid-Austauschfaktor (RanGEF) in Ran-GTP umgewandelt. Die GTPase Ran wechselt also zwischen der GTP- und der GDP-gebundenen Form, die unterschiedliche Lokalisierung der Ran-Regulatoren (chromatingebundenes RanGEF im Kern, RanGAP im Cytoplasma) sorgt für den Ran-GTP/Ran-GDP-Konzentrationsgradienten, der vermutlich für die Steuerung des Proteintransports notwendig ist. Auffallend ist, daß im Gegensatz zum Transport von Proteinen in Chloroplasten und Mitochondrien die Proteine, die in den Kern transportiert werden, in vollständig gefaltetem Zustand die Pore durchtreten.
Der Import von Proteinen in den Kern kann auch über die M9-Domäne, bestehend aus 38 Aminosäuren (überwiegend Glycin und aromatische Aminosäuren), vermittelt werden. Sie befindet sich z.B. an dem hnRNPA1-Protein (heterogenes nucleäres Ribonucleoprotein A1) und wird im Cytoplasma von einem als Transportin (Karyopherin-β) bezeichneten Protein erkannt, das hnRNPA1 unter Beteiligung von Ran in den Kern importiert. In der Hefe Saccharomyces cerevisiae übernimmt Kap104p eine ähnliche Funktion wie Transportin, indem es die mRNA-bindenden Proteine Nab2p und Nab4p bindet und mit Hilfe der Hefe-Ran (Gsp1p) ins Kerninnere transportiert. Für ribosomale Proteine, die nach der Translation in den Kern importiert werden und anschließend mit rRNAs verpackt wieder ins Cytoplasma gelangen, konnten bei der Hefe 2 Importrezeptoren (Kap121p und Kap123p) gefunden werden, deren Interaktion mit Ran zum Teil nachgewiesen ist.
Im Zellkern transkribierte und prozessierte RNA muß durch die Kernmembran zu den im Cytoplasma befindlichen Ribosomen exportiert werden. Die RNA liegt an verschiedene Proteine gebunden als hnRNP-Komplex (heterogener nucleärer Ribonucleoprotein-Komplex) vor. Dieser Komplex bindet an die Kernpore, Teile des Komplexes verbleiben im Kern, andere werden ins Cytoplasma exportiert. Die Entscheidung, welcher Teil des Komplexes ins Cytoplasma transportiert wird und welcher nicht, fällt an Hand der gebundenen Proteine: die ausschließlich kernlokalisierten Proteine besitzen eine NRS (nuclear retention sequence), die den Transport ins Cytoplasma verhindert, während die zu exportierenden Proteine eine M9-Domäne oder eine Leucin-reiche Sequenz aufweisen, die als NES (nuclear export signal; z.B. das Rev-NES, identifiziert im HIV-1-Rev-Protein) dient und den Transport aus dem Kern gewährleistet. Der Transport der mRNA beginnt immer mit dem 5'-Ende, wobei ein CBC (cap binding complex) genannter Proteinkomplex, der an die CAP-Struktur (Capping) der mRNA bindet, eine wichtige Rolle spielt. Das NES-Peptid wird von einem Exportrezeptor, dem Exportin 1 (CRM1-Protein), einem Vertreter der β-Importin-ähnlichen Proteinfamilie, erkannt. Es ergibt sich ein Modell, nach dem ein NES-tragendes Protein mit Exportin 1 und Ran-GTP einen trimeren Komplex bildet und so durch die Kernpore transloziert wird. Proteintransport.

K.G./S.Kl.

KerntransportvonProteinen

Die NLS-Sequenz von Kernproteinen wird im Cytoplasma von der α-Untereinheit des heterodimeren Importins gebunden, die β-Untereinheit vermittelt den Kontakt an die Kernpore. Der trimere Komplex aus Kernprotein, α- und β-Importin gelangt ins Kerninnere. Dort bindet Ran-GTP an β-Importin, wodurch der trimere Komplex dissoziiert. Das transportierte Protein verbleibt im Zellkern, während α-Importin und der Komplex β-Importin/Ran-GTP den Zellkern wieder verlassen. Im Cytoplasma wird Ran-GTP in die GDP-Form überführt, die keine Affinität mehr zu β-Importin hat. Damit wird β-Importin wieder frei für die Ausbildung des heterodimeren α,β-Importins.
IMPα α-Importin, IMPβ β-Importin.