Moleculaire Expressies Celbiologie: Nucleaire poriën

De nucleaire envelop is geperforeerd met minuscule gaatjes die nucleaire poriën worden genoemd en die voor het eerst in het midden van de twintigste eeuw werden ontdekt. Deze poriën regelen de doorgang van moleculen tussen de kern en het cytoplasma, waarbij sommige door het membraan worden doorgelaten, maar andere niet. Bouwstenen voor de produktie van DNA en RNA zijn enkele van de materialen die in de kern worden toegelaten, evenals moleculen die de energie leveren voor de opbouw van genetisch materiaal. Ribosomale subeenheden, die in nucleosomen worden gebouwd, zijn een uitstekend voorbeeld van materialen die de kern moeten kunnen verlaten en in het cytoplasma terecht moeten kunnen komen.

Nucleaire poriën zijn volledig doorlaatbaar voor kleine moleculen tot de grootte van de kleinste eiwitten, maar vormen een barrière die de meeste grote moleculen buiten de celkern houdt. Toch worden sommige grotere proteïnen, zoals histon-eiwitten, tot de kern toegelaten, ondanks het feit dat de poriën te klein zouden moeten zijn om ze door te laten. Algemeen wordt aangenomen dat de ingewikkelde eiwitstructuur, het zogeheten nucleaire poriecomplex (zie figuur 1), dat elke porie omgeeft, een sleutelrol speelt bij het mogelijk maken van actief transport van een select aantal grote moleculen in en uit de kern.

Het nucleaire poriecomplex bestaat uit verschillende subeenheden. Rondom de binnenkant van de porie is een niet-membraanachtig materiaal georganiseerd in een annulus die spaakvormige structuren uitsteekt naar het centrum van het kleine kanaal. De eigenlijke poriewand bestaat voornamelijk uit zuilvormige subeenheden, en lumenale subeenheden verankeren, met behulp van transmembraanproteïnen, het gehele poriecomplex in de nucleaire enveloppe. Ook strekken zich gewoonlijk aan beide zijden van het complex kleine fibrillen uit, die aan de kernzijde van het complex samenkomen in mandvormige configuraties. De eiwitachtige samenstelling van deze fibrillen is verschillend aan de tegenover elkaar liggende zijden van de structuur.

Nucleaire poriën spelen niet alleen een rol in het nucleaire transport, maar zijn ook belangrijk als plaatsen waar het buitenmembraan en het binnenmembraan van de nucleaire envelop samengesmolten zijn. Door deze versmelting kunnen de membranen als ononderbroken met elkaar worden beschouwd, hoewel zij verschillende biochemische kenmerken hebben en op verschillende manieren kunnen functioneren. Aangezien het buitenste kernmembraan ook continu is met het membraan van het endoplasmatisch reticulum (ER), kunnen zowel dit membraan als het binnenste kernmembraan membraanmaterialen uitwisselen met het ER. Deze mogelijkheid maakt het mogelijk dat de kernmantel groter of kleiner wordt wanneer dat nodig is om de dynamische inhoud van de kern op te vangen.

Illustreerd in figuur 2 is een fluorescentie digitaal beeld van een adherente cultuur van Madin-Darby canine niercellen (MDCK lijn) gekleurd met fluorescente probes gericht op de kern (blauw), nucleaire porie complex eiwitten (rood), en de tight junctions gevormd tussen epitheliale cellen (groen) om de nabijheid van deze structuren aan te tonen. De kernpoorten van deze cellen werden bestudeerd met een breed-spectrum polyklonaal antilichaam tegen een grote familie van kernporecomplex-eiwitten, wat een nuttig instrument is voor het bestuderen van de morfologie en samenstelling van de kern en de nucleaire enveloppe. Het antilichaammengsel is ook nuttig voor het bestuderen van veranderingen in de kernstructuur tijdens mitose en meiose (let op de mitotische cel in het onderste centrale gedeelte van figuur 2).

De poriëndichtheid varieert sterk en heeft de neiging het grootst te zijn bij cellen die sterk geactiveerd en gedifferentieerd zijn, zoals levercellen. Een typische zoogdiercel heeft ongeveer 3.000 tot 4.000 poriën langs zijn kernomhulsel. De oöcyten van bepaalde amfibieën hebben echter zulke grote kernen en zo’n grote dichtheid van poriën dat de kernomhulling van één van de cellen meer dan tien miljoen poriën kan bevatten. Bijgevolg zijn deze oocyten intensief gebruikt in studies van nucleaire poriecomplexen en nucleair transport.