核局在シグナル（NLS）は、核輸送によって細胞核に取り込まれるタンパク質に「タグ」を付けるアミノ酸配列モチーフです。[ 1 ]通常、このシグナルは、タンパク質表面に露出した1つ以上の正電荷を帯びたリジンまたはアルギニンの短い配列から構成されます。 [ 1 ]異なる核局在タンパク質が同じNLSを共有する場合があります。[ 1 ] NLSは、タンパク質を核外に輸送する核外輸送シグナル（NES）とは逆の機能を持ちます。
種類
クラシック
これらのタイプの NLS は、さらにモノパート型またはバイパート型に分類できます。両者の主な構造上の違いは、バイパート型 NLS の 2 つの基本アミノ酸クラスターが比較的短いスペーサー配列で分離されている (そのため、バイパート型 - 2 つの部分) のに対し、モノパート型 NLS は分離されていないことです。最初に発見された NLS は、SV40 ラージ T 抗原の配列 PKKKRKV (モノパート型 NLS) でした。[ 2 ]ヌクレオプラスミンの NLS 、KR[PAATKKAGQA]KKKK は、遍在するバイパート型シグナルのプロトタイプです。これは、約 10 アミノ酸のスペーサーで分離された 2 つの基本アミノ酸クラスターです。[ 3 ]両方のシグナルはインポーチン αによって認識されます。インポーチン α 自体がバイパート型 NLS を含み、これはインポーチン βによって特異的に認識されます。後者は実際のインポート メディエーターとみなすことができます。
Chelskyらは、単一部分型 NLS の共通配列KK/RXK/R を提案した。 [ 3 ]したがって、Chelsky 配列は、二部分型 NLS の下流基本クラスターの一部である可能性がある。Makkahらは、SV40 T 抗原 (単一部分型)、C-myc (単一部分型)、およびヌクレオプラスミン (二部分型) の核局在シグナルについて比較変異誘発を行い、3 つすべてに共通するアミノ酸の特徴を示した。中性アミノ酸と酸性アミノ酸が NLS の効率に寄与する役割が初めて示された。[ 4 ]
Rotelloらは、SV40ラージT抗原、ヌクレオプラスミン（AVKRPAATKKAGQAKKKKLD）、EGL-13（MSRRRKANPTKLSENAKKLAKEVEN）、c-Myc（PAAKRVKLD）、TUSタンパク質（KLKIKRPVK）のeGFP融合NLSの核局在効率を、迅速な細胞内タンパク質送達によって比較した。彼らは、c-Myc NLSの核局在効率がSV40 NLSのそれよりも有意に高いことを発見した。[ 5 ]
非古典的
NLSには他にも多くの種類があり、hnRNP A1の酸性M9ドメイン、酵母転写抑制因子Matα2のKIPIK配列、U snRNPの複合シグナルなどがある。これらのNLSのほとんどは、インポーチンα様タンパク質の介入なしに、インポーチンβファミリーの特異的受容体によって直接認識されるようである。[ 6 ]
大量に生産され輸送されるリボソームタンパク質に特異的と思われるシグナル[ 7 ] [ 8 ]は、特殊なインポーチンβ様核輸送受容体のセットとともに現れるようです。[ 9 ]
最近、Leeら[ 10 ]によってPY-NLSと呼ばれるNLSのクラスが提唱された。このPY-NLSモチーフは、プロリン-チロシンアミノ酸ペアリングにちなんで名付けられ、タンパク質がインポーチンβ2（トランスポーチンまたはカリオフェリンβ2としても知られる）に結合することを可能にし、インポーチンβ2はカーゴタンパク質を核内に輸送する。インポーチンβ2に含まれるPY-NLSの結合の構造的基盤が解明され、インポート阻害剤が設計された[ 11 ] 。
発見
細胞のDNAを隔離する核膜の存在は、真核細胞の決定的な特徴である。したがって、核膜は、DNA複製とRNA転写という核内プロセスを、タンパク質合成という細胞質プロセスから分離している。核内で必要とされるタンパク質は、何らかのメカニズムによって核内に運ばれなければならない。核タンパク質が核内に蓄積する能力を初めて直接的に実験的に検証したのは、ジョン・ガードンであり、彼は精製した核タンパク質を細胞質にマイクロインジェクションした後、カエル（アフリカツメガエル）の卵母細胞の核内に蓄積することを示した。これらの実験は、その後、幹細胞研究に直接関連する核リプログラミングの研究へと繋がる一連の研究の一部であった。
卵母細胞の核膜には数百万個もの孔複合体が存在し、それらが様々な分子（インスリン、ウシ血清アルブミン、金ナノ粒子など）を通過させるように見えることから、これらの孔は開いたチャネルであり、核タンパク質は孔を通って自由に核内に入り、DNAや他の核成分に結合することで蓄積されるという見解が生まれた。言い換えれば、特定の輸送機構は存在しないと考えられていたのである。
この見解は、1982年にディングウォールとラスキーによって誤りであることが示されました。典型的な「分子シャペロン」であるヌクレオプラスミンと呼ばれるタンパク質を用いて、彼らは核内への進入のシグナルとして機能するタンパク質のドメインを特定しました。[ 12 ]この研究は、この分野の研究を刺激し、2年後にはSV40ラージT抗原（略してSV40）で最初のNLSが特定されました。しかし、SV40 NLSとの類似性のみに基づいて、他の核タンパク質で機能的なNLSを特定することはできませんでした。実際、細胞（非ウイルス）核タンパク質のごく一部だけが、SV40 NLSに類似した配列を含んでいました。ヌクレオプラスミンの詳細な調査により、スペーサーアームで隔てられた塩基性アミノ酸からなる2つの要素を持つ配列が特定されました。これらの要素の1つはSV40 NLSに類似していましたが、非核レポータータンパク質に結合してもタンパク質を細胞核に誘導することができませんでした。両方の要素が必要です。[ 13 ]この種の NLS は、二部型古典的 NLS として知られるようになりました。二部型 NLS は現在、細胞核タンパク質に見られる主要な NLS クラスであることが知られています[ 14 ] 。また、構造解析により、シグナルが受容体 (インポーチン α ) タンパク質によってどのように認識されるかが明らかになっています[ 15 ] (一部の単部型 NLS の構造的基盤も知られています[ 16 ] )。核タンパク質の輸送の分子レベルの詳細の多くが現在では知られています。これは、核タンパク質の輸送が 2 段階のプロセスであることが実証されたことによって可能になりました。核タンパク質は、エネルギーを必要としないプロセスで核孔複合体に結合します。これに続いて、核タンパク質がエネルギー依存的に孔複合体のチャネルを通って転座します。[ 17 ] [ 18 ]このプロセスに 2 つの明確な段階が存在することが確立されたことにより、関与する因子を特定できる可能性が確立され、インポーチンファミリーの NLS 受容体とGTPase Ranの特定につながりました。
核物質輸入のメカニズム
タンパク質は核膜を通って核内へ入ります。核膜は外膜と内膜という同心円状の膜から構成されています。内膜と外膜は複数の箇所で連結し、細胞質と核質の間に通路を形成しています。これらの通路には核膜孔複合体（NPC）と呼ばれる複雑な多タンパク質構造が存在し、核膜を介したタンパク質輸送を媒介しています。
NLS（核局在シグナル）を持つタンパク質はインポーチン（別名カリオフェリン）に強く結合し、複合体は共に核膜孔を通過します。この時点で、Ran-GTPがインポーチンタンパク質複合体に結合し、その結合によってインポーチンはタンパク質に対する親和性を失います。タンパク質が放出され、Ran-GTP/インポーチン複合体は核膜孔を通って核外へ戻ります。細胞質内のGTPase活性化タンパク質（GAP）がRan-GTPを加水分解してGDPにし、これによりRanの構造変化が起こり、最終的にインポーチンに対する親和性が低下します。インポーチンは放出され、Ran-GDPは核にリサイクルされ、そこでグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）がGDPをGTPに交換します。
関連項目
- 核外輸送シグナル（NES）は、タンパク質を核から輸送するように指示することができる。
参考文献
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さらに読む
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