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核孔複合体（NPC ）は、核孔を形成する大きなタンパク質複合体です。多数の核孔が、真核細胞の核を囲む核膜全体に点在しています。これらの孔は、核の核質と細胞の細胞質の間で高分子の核輸送を可能にします。小さな分子は孔を容易に拡散できます。 [ 1 ]核輸送には、 RNAとリボソームタンパク質の核から細胞質への輸送、およびタンパク質（ DNAポリメラーゼやラミンなど）、炭水化物、シグナル分子、脂質の核内への輸送が含まれます。各核孔複合体は、毎秒最大1000回の転座を能動的に媒介することができます。
核膜孔複合体は、主にヌクレオポリン（Nup）と呼ばれるタンパク質のファミリーで構成されています。ヒト細胞核内の各核膜孔複合体は、進化的に保存された35 種類のヌクレオポリンからなる約 1,000 個の個々のタンパク質分子で構成されています。[ 2 ]ヌクレオポリンをコードする保存配列は、核膜孔を通る分子輸送を制御します。[ 3 ] [ 4 ]ヌクレオポリンを介した輸送は直接的なエネルギー消費を伴わず、代わりにRAN サイクル（Ras 関連核タンパク質サイクル）に関連する濃度勾配に依存します。2022 年に、ヒト NPC の構造の約 90% が開いた状態と閉じた状態で解明され、表紙を飾ったScienceの特集号に掲載されました。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 2024 年に核バスケットの構造が解明され、核膜孔複合体の構造が完成しました。[ 8 ]
核膜孔タンパク質の約半分は、 αソレノイドやβプロペラフォールドなどのソレノイドタンパク質ドメインを含み、場合によっては両方が別々の構造ドメインとして存在します。逆に、残りの核膜孔タンパク質は、「天然変性」または本質的に無秩序なタンパク質の特徴を示し、高い柔軟性と秩序だった三次構造の欠如が特徴です。FG核膜孔タンパク質（FG-Nups）と呼ばれるこれらの無秩序なタンパク質は、アミノ酸配列に複数のフェニルアラニン-グリシン繰り返し（FG繰り返し）を含んでいます。 [ 9 ] FG-Nupsは、NPCに見られる3つの主要なタイプの核膜孔タンパク質の1つです。他の2つは、膜貫通Nupsと足場Nupsです。膜貫通Nupsは、膜貫通αヘリックスで構成されており、NPCを核膜に固定する上で重要な役割を果たしています。足場となるヌップはアルファソレノイドとベータプロペラの折り畳みから構成され、NPCの構造的枠組みを形成する。[ 10 ]
核膜孔複合体の数は細胞の種類や細胞のライフサイクルの段階によって異なり、脊椎動物の細胞核には通常約 2,000 個の NPC が存在する。[ 11 ]ヒトの核膜孔複合体は、分子量 120メガダルトン(MDa) の大きな構造である。[ 12 ]各 NPC は、実際の孔を取り囲む 8 つのタンパク質サブユニットから構成され、外側のリングを形成している。さらに、これらのサブユニットは孔チャネルの上に放射状のタンパク質を突き出している。孔の中央領域は栓のような構造を示すことがあるが、その正確な性質は不明であり、それが実際の栓なのか、単に輸送中に一時的に捕捉された貨物なのかはまだ解明されていない。
核膜孔複合体（NPC）は、脊椎動物において直径約120ナノメートルの重要な細胞構造である。そのチャネルは核膜の内膜と外膜を融合させ、ヒトでは5.2ナノメートル、アフリカツメガエル では10.7ナノメートルまで変化し、深さは約45ナノメートルである。[ 13 ] [ 14 ]さらに、mRNAは一本鎖であるため、厚さは0.5～1ナノメートルである。哺乳類のNPCの分子量は約 124 MDa で 、それぞれ複数コピー存在する約 30 種類の異なるタンパク質成分と、異なる NPC サブコンプレックスに組織化された約 800 種類の核膜孔タンパク質から構成されています。[ 15 ]一方、酵母Saccharomyces cerevisiaeはより小さい質量を持ち、推定ではわずか 66 MDa です。[ 16 ]
核膜孔複合体（NPC）は、核と細胞質間の分子輸送のための高度に制御されたゲートウェイとして機能します。[ 13 ]この複雑なシステムにより、タンパク質、RNA、シグナル伝達分子などの分子の選択的な通過が可能になり、適切な細胞機能と恒常性が確保されます。タンパク質、水、イオンなどの小さな分子はNPCを拡散できますが、RNAやより大きなタンパク質などの貨物（>40 kDa）は可溶性輸送受容体の関与が必要です。[ 17 ]
核輸送受容体の中で最大のファミリーはカリオフェリンであり、これにはインポーチンやエクスポーチンが含まれる。これらは、Ran GTPヒドロラーゼ依存的なプロセスで、タンパク質、RNA、リボ核粒子を核膜孔複合体（NPC）を介して輸送することを促進するスーパーファミリーである。[ 18 ]このファミリーはさらに、カリオフェリン-α（インポーチンα）とカリオフェリン-β（インポーチンβ）のサブファミリーに細分化される。他の核輸送受容体には、 NTF2およびいくつかのNTF2様タンパク質が含まれる。
転座メカニズムを説明するために、3つのモデルが提案されている。
核タンパク質は細胞質で合成され、核膜孔複合体（NPC）を介して核内に輸送される必要がある。輸送は様々なシグナルによって制御されるが、その中でも核局在シグナル（NLS）が最もよく特徴づけられている。[ 19 ]いくつかのNLS配列が知られており、一般的にPKKKRKVなどの塩基性残基を含む保存配列が含まれている。NLSを持つ物質はすべてインポーチンによって核に取り込まれる。
輸送は、インポーチン-αがカーゴタンパク質のNLS配列に結合して複合体を形成することから始まります。次にインポーチン-βがインポーチン-αに結合し、NPCへの輸送を促進します。[ 20 ]
複合体が核膜孔複合体（NPC）に到達すると、追加のエネルギーを必要とせずに孔を通って拡散します。核内に入ると、RanGTPがインポーチンβに結合し、複合体からそれを置換します。次に、核内でRanGTPに結合しているエクスポーチンである細胞アポトーシス感受性タンパク質（CAS）が、インポーチンαをカーゴから置換します。こうして、NLSタンパク質は核質内で遊離します。インポーチンβ-RanGTPおよびインポーチンα-CAS-RanGTP複合体は細胞質に拡散して戻り、そこでGTPが加水分解されてGDPとなり、インポーチンβとインポーチンαが放出され、新たなNLSタンパク質の輸入ラウンドに利用できるようになります。[ 21 ]
核膜孔複合体（NPC）を介した輸送自体はエネルギーに依存しないが、全体の輸送サイクルには2分子のGTPの加水分解が必要となるため、能動輸送プロセスである。この輸送サイクルは、核と細胞質間のRanGTP濃度勾配によって駆動される。この濃度勾配は、Ran分子上でGDPをGTPに交換するタンパク質であるRanGEFが核にのみ局在することによって生じる。そのため、核内のRanGTP濃度は細胞質よりも高くなる。
核内輸送に加えて、リボソームサブユニットやメッセンジャーRNAなどの特定の分子や高分子複合体は、核から細胞質への輸送を必要とする。この輸送過程は、複雑さと重要性の点で、核内輸送機構と類似している。
古典的な核外輸送シナリオでは、核外輸送配列（NES）を持つタンパク質が核内でエクスポルチンおよびRanGTPとヘテロ三量体複合体を形成します。このようなエクスポルチンの例としてCRM1が挙げられます。この複合体はその後細胞質に移行し、そこでGTP加水分解が起こり、NES含有タンパク質が放出されます。生成されたCRM1-RanGDP複合体は核に戻り、そこでRanGEFがRan上のGDPをGTPに交換する反応を触媒し、システムのエネルギー源を補充します。このプロセス全体はエネルギー依存的であり、1分子のGTPを消費します。注目すべきは、CRM1によって媒介される核外輸送活性は、レプトマイシンBなどの化合物によって阻害される可能性があることです。
様々なRNAクラスには、核膜孔複合体（NPC）を介した異なる輸送経路が存在する。RNAの輸送はシグナルによって媒介され、RNA結合タンパク質には核外輸送シグナル（NES）が存在するが、アダプターを持たないtRNAは例外である。mRNAを除くすべてのウイルスRNAおよび細胞RNA（tRNA、rRNA、U snRNA、マイクロRNA）はRanGTPに依存していることは注目に値する。保存されたmRNA輸送因子は、mRNAの核外輸送に必要である。輸送因子はMex67/Tap（大サブユニット）およびMtr2/p15（小サブユニット）である。
最も高等な真核生物では、mRNAの輸出はスプライシングに依存すると考えられている。スプライシングは、スプライシングされたメッセージにTREXタンパク質複合体をリクルートし、低親和性RNA結合タンパク質である抗原処理関連トランスポーター（TAP）のアダプターとして機能する。しかし、ヒストンなどの特殊なメッセージには、スプライシングに依存しない代替のmRNA輸出経路が存在する。最近の研究では、分泌転写産物およびミトコンドリア転写産物について、スプライシング依存性輸出とこれらの代替mRNA輸出経路の1つとの相互作用も示唆されている。[ 22 ]
NPCはゲノムへのアクセスを制御するため、転写速度が高い細胞周期段階においてNPCが相当量存在することが極めて重要である。例えば、哺乳類細胞や酵母細胞では、G1期とG2期の間で核内のNPCの量が2倍になる。同様に、卵母細胞は初期発生における急速な有糸分裂活動に備えて、NPCを大量に蓄積する。さらに、間期細胞は、一部が損傷を受ける可能性があるため、NPCレベルを一定に保つためにNPCの生成を維持しなければならない。また、転写需要の増加により、NPCの数を増やすことができる細胞もある。[ 23 ]
核膜孔複合体（NPC）がどのように組み立てられるかについては、いくつかの説がある。Nup 107-160複合体などの特定のタンパク質複合体を免疫除去すると、孔のない核が形成されることから、Nup複合体は核膜の外膜と内膜の融合に関与しており、膜の融合が孔の形成の始まりではないと考えられる。この過程を経て完全なNPCが形成されるには、いくつかの経路が考えられる。
有糸分裂中、NPCは段階的に分解されるように見えるが、酵母のような下等真核生物では有糸分裂中にNPCの分解は起こらない。[ 26 ] Nup153、Nup98、Nup214などの末梢核膜孔タンパク質はNPCから解離する。残りのタンパク質は足場タンパク質とみなされ、核膜（NE）内の円筒状リング複合体として安定している。NPC末梢群のこの分解は、これらの核膜孔タンパク質のいくつかが有糸分裂の段階でリン酸化されるため、主にリン酸駆動型であると考えられている。しかし、生体内でのリン酸化に関与する酵素は不明である。後生動物（開放有糸分裂を行う）では、末梢Nupの喪失後、NEは急速に分解する。この理由は、NPCの構造の変化によるものと考えられる。この変化により、核膜孔複合体は細胞質チューブリンなどの核膜分解に関与する酵素に対して透過性が高くなり、主要な有糸分裂調節タンパク質の侵入も可能になる可能性がある。糸状菌アスペルギルス・ニデュランスなどの半開放型有糸分裂を行う生物では、核膜孔タンパク質をリン酸化し核膜孔を開くNIMAおよびCdk1キナーゼの活性化により、30個の核膜孔タンパク質のうち14個がコア足場構造から分解され[ 27 ] [ 28 ] 、それによって核膜孔が広がり、有糸分裂調節因子の侵入が可能になる[ 29 ] 。
核がそのまま残る閉鎖型有糸分裂中の真菌では、核膜の透過性バリアの変化は、核膜孔複合体（NPC）内の変化に起因すると考えられている。これらの変化により、有糸分裂調節因子が核内へ入りやすくなる。Aspergillus nidulansの研究では、NPC の構成は有糸分裂キナーゼ NIMA によって影響を受けることが示唆されている。NIMA は核膜孔タンパク質 Nup98 および Gle2/Rae1 をリン酸化し、NPC の再構築を引き起こす可能性がある。[ 30 ]この再構築により、タンパク質複合体 cdc2/サイクリン B および可溶性チューブリンを含むさまざまな他のタンパク質が核内へ入り込むことができる。NPC の足場は閉鎖型有糸分裂全体を通してそのまま残る。これは核膜の完全性を維持するようである。[ 31 ]