Нуклеоли́н () — белок, имеющийся у высших эукариот (животные, растения и дрожжи). У человека он кодируется геном NCL, расположенным на 2-й хромосоме в локусе 2q37.1.
Нуклеолин — один из наиболее часто встречающихся ядрышковых белков. Он принимает участие в процессе образования рибосом, но выполняет также функции, не имеющие прямого отношения к ядрышку и протекающему в нём биогенезу рибосом. Способность нуклеолина участвовать во многих клеточных процессах обеспечивается его структурной организацией и возможностью взаимодействовать со многими белками, а также нуклеиновыми кислотами. Нуклеолин играет определённую роль в развитии различных вирусных инфекций, а также при возникновении раковых заболеваний, выступая как онкоген.
Ген Человеческий ген NCL расположен на хромосоме 2 в локусе и состоит из 14 экзонов и 13 интронов общим размером около 11 килобаз. 11-й интрон гена NCL кодирует малую ядрышковую РНК U20.
Механизмы регуляции экспрессии гена нуклеолина изучены плохо. В периферических одноядерных клетках крови, обработанных форболовым эфиром, уровень мРНК NCL повышался под воздействием протеинкиназы . На посттранскрипционном уровне взаимодействует с 3'-нетранслируемой областью мРНК NCL и повышает её трансляцию, а микроРНК miR-494 конкурирует с HuR и подавляет трансляцию. Экспрессию нуклеолина регулируют также микроРНК miR-194 и miR-206. На посттрансляционном уровне количество молекул этого белка может регулироваться при помощи протеолиза.
Гены, кодирующие нуклеолин, имеются у всех животных, растений и дрожжей. У большинства животных, включая человека, мышь и хомяка, на гаплоидный геном приходится один ген нуклеолина. Однако у тетраплоидных организмов — таких как сазан Cyprinus carpio и лягушка Xenopus laevis — обнаруживается до трёх генов этого белка. У дрожжей тоже имеется один ген нуклеолина: NSR1 у Saccharomyces cerevisiae и GAR2 у Schizosaccharomyces pombe. Напротив, растения имеют по меньшей мере два гена нуклеолина на геном. Структура этого белка оказалась высококонсервативной в ходе эволюции.
Структура Нуклеолин был идентифицирован в 1973 году Орриком и коллегами в экстрактах клеток крысы и первоначально получил название C23 из-за своей подвижности в геле двумерного электрофореза. Хотя предсказанная масса нуклеолина составляла 77 кДа, оказалось, что данный белок имеет массу 100—110 кДа. Позднее это противоречие было объяснено аминокислотным составом N-концевого домена.
У нуклеолина имеется три ключевых структурных домена: N-концевой, центральный и C-концевой. N-концевой домен содержит около 300 аминокислотных остатков. В нём располагаются сильно заряженные повторы кислых аминокислот глутамата и аспартата, которые разделяются рядами осно́вных аминокислот. Количество повторов варьирует в зависимости от биологического вида. Благодаря кислым аминокислотам изоэлектрическая точка этого региона относительно низка и составляет 5,5. Кроме того, N-концевые повторы кислых аминокислот обеспечивают аргирофильные свойства нуклеолина. Таким образом, значительная корреляция между интенсивностью окрашивания ядрышка серебром и темпами биосинтеза пре-рибосомной РНК обеспечивается накоплением нуклеолина и другого многочисленного ядрышкового белка, нуклеофозмина. N-концевой домен нуклеолина принимает участие во многих белок-белковых взаимодействиях. Кислые повторы этого белка взаимодействуют с и индуцируют деконденсацию хроматина. Благодаря этой особенности нуклеолин можно рассматривать как -подобный белок. Кроме того, N-концевой домен подвергается многочисленным посттрансляционным модификациям; например, он содержит сайты фосфорилирования протеинкиназами и CK2, поэтому предполагают, что N-концевой домен важен для регуляции работы нуклеолина в зависимости от клеточного цикла.
Центральный домен нуклеолина содержит четыре (у человека) консервативных РНК-связывающих домена (RBD от или RRM от ), которые обеспечивают специфическое взаимодействие с последовательностями нуклеиновых кислот. Количество RBD в центральном домене у разных организмов — от дрожжей до человека — может быть различным. Интересно, что эксперименты по нокауту показали, что RBD выполняют избыточные функции, и в условиях in vivo специфическая активность не нужна для выполнения жизненно важных функций нуклеолина.
C-концевой домен нуклеолина обогащён остатками глицина, аргинина и фенилаланина, поэтому его называют GAR- () или RGG- (Arg-Gly-Gly) доменом. Длина С-концевого домена нуклеолина варьирует у разных видов, хотя он довольно консервативен. Показано, что этот домен содержит повторяющиеся . Неспецифическое взаимодействие GAR-домена с нуклеиновыми кислотами может играть роль в усилении связывания нуклеолина с РНК посредством RBD. С-концевой домен также принимает участие в белок-белковых взаимодействиях. Многочисленные остатки аргинина этого домена подвергаются посттрансляционному метилированию (в основном встречаются NG,NG-диметиларгинин, однако иногда обнаруживается и NG-монометиларгинин).
Посттрансляционные модификации Известно, что нуклеолин может подвергаться фосфорилированию, метилированию, АДФ-рибозилированию и гликозилированию. Последствия этих модификаций белка в значительной мере неизвестны.
Фосфорилирование Фосфорилирование — наиболее изученная посттрансляционная модификация нуклеолина, причём у него могут фосфорилироваться разными киназами несколько сериновых и треониновых аминокислотных остатков. Остатки серина, расположенные главным образом вблизи двух очень кислых участков N-концевого домена, фосфорилируются казеинкиназой II (CK2) в ходе интерфазы. В ходе митоза нуклеолин фосфорилируется циклинзависимой киназой 1 (Cdk1) по остаткам треонина, расположенным в осно́вном повторе TPXKK. Было также показано, что нуклеолин является субстратом для протеинкиназы C-ζ (PKC-ζ), PI3K и . У растений и дрожжей N-концевое фосфорилирование консервативно.
Несмотря на то, что уже с момента своего открытия нуклеолин известен как сильно фосфорилированный белок, функциональная роль этого фосфорилирования ещё в значительной мере неясна. Предполагается, что фосфорилирование нуклеолина влияет на его протеолиз и транскрипцию , а также на его внутриклеточную локализацию. Например, у лягушки Xenopus laevis цитоплазматическая локализация нуклеолина совпадает с его обильным фосфорилированием Cdk1, а переход в ядро сопровождается дефосфорилированием. Кроме того, судя по всему, фосфорилирование нуклеолина регулирует его взаимодействие с нуклеиновыми кислотами. В отличие от протеинкиназ нуклеолина, о фосфатазах, регулирующих его статус фосфорилирования, известно гораздо меньше. Было показано, что этот белок взаимодействует с тирозинфосфатазой PRL-3. Активность этого фермента необходима для подавления нуклеолина в цитоплазме и его накопления в ядрышке, поэтому считается, что PRL-3 может дефосфорилировать нуклеолин в цитоплазме, регулируя тем самым его локализацию.
Метилирование Нуклеолин содержит довольно много NG,NG-диметиларгинина и следовые количества NG-монометиларгинина. Метилированию подвергается ориентировочно одна треть всех остатков аргинина в нуклеолине, что делает последний одним из наиболее метилируемых ядерных белков. Диметиларгинин может принимать участие в модуляции взаимодействия нуклеолина с нуклеиновыми кислотами. Главным субстратом метилирования является GAR-домен. Асимметричное метилирование может осуществлять (PRMT1). Показано, что в клетках рака простаты нуклеолин взаимодействует с , причём комплекс нуклеолина и PRMT5 содержит симметричный ω-NG,N'''G-диметиларгинин. Чтобы проверить, какова роль метилирования GAR-домена в ядрышковой локализации нуклеолина, был создан нуклеолин, у которого 10 остатков аргинина в GAR-домене были заменены на остатки лизина. Такой нуклеолин, хотя и не метилировался дрожжевой метилтрансферазой Hmt1p/Rmt1, оставался в ядрышке, поэтому метилирование остатков аргинина в нуклеолине не влияет на его внутриклеточную локализацию.
АДФ-рибозилирование и гликозилирование Показано, что в растущих экспоненциально клетках HeLa нуклеолин может модифицироваться при помощи АДФ-рибозилирования, однако неизвестно, какие именно остатки подвергаются модификации.
В центральном домене нуклеолина пять остатков могут подвергаться N-гликозилированию в последовательностях Asn-Xaa-Ser и Asn-Xaa-Thr. Небольшая доля нуклеолина, найденная на поверхности клеток различных типов, может подвергаться N- и O-гликозилированию. Было выявлено два сайта гликозилирования: N317 и N492, расположенные в RBD1 и RBD3 соответственно. Ингибирование N-гликозилирования путём обработки клеток предотвращает экспрессию нуклеолина на поверхностях клеток, поэтому данная посттрансляционная модификация совершенно необходима для правильной внутриклеточной локализации белка. Поскольку поверхностный нуклеолин служит рецептором для различных внеклеточных лигандов, которые принимают участие в пролиферации, дифференцировке, адгезии, митогенезе и ангиогенезе, возможно, что его гликозилирование необходимо для этих взаимодействий.
Функции Основная масса нуклеолина выявляется в ядрышке, однако он также обнаруживается в нуклеоплазме, цитозоле и даже в клеточной мембране. Ядрышковый нуклеолин участвует в биогенезе рибосом, он задействован в транскрипции генов рРНК, созревании пре-рРНК и сборке рибосомных субъединиц. Кроме того, в ядрышке он взаимодействует с хроматином в области рДНК и ремоделирует его, воздействуя на нуклеосомы. При стрессовых воздействиях, таких как или γ-излучение, нуклеолин перемещается в нуклеоплазму, где контролирует стабильность только что синтезированных мРНК, участвует в репликации ДНК, регулирует сплайсинг, экспрессию онкогенов и клеточное старение. Фосфорилирование и некоторые другие посттрансляционные модификации, а также отсутствие белка ламинина, обработка арахидовой кислотой, вирусные инфекции и некоторые канцерогенные факторы, приводят к выходу нуклеолина в цитоплазму. Цитоплазматический нуклеолин участвует в финальных этапах созревания рибосом, регулирует эндоцитоз, клеточный цикл и , вовлекается в некоторые процессы, связанные с вирусными инфекциями. В цитоплазме этот белок обладает антиапоптотическим действием и способствует развитию и метастазированию опухолей. Наконец, под действием ряда канцерогенных факторов и некоторых белков, таких как , VEGF, Tipα, нуклеолин перемещается на поверхность клетки. Этому также способствует его N-гликозилирование. Поверхностный нуклеолин регулирует дифференцировку клеток и клеточную адгезию, способствует воспалению, ангиогенезу и развитию опухолей. Нуклеолин попадает в клеточную мембрану только при сверхэкспрессии и выявляется там только у эндотелиальных и злокачественных клеток, благодаря чему он может функционировать как рецептор, обеспечивающий специфическое проникновение противораковых препаратов в раковые клетки.
Ниже подробно рассмотрены ключевые функции нуклеолина.
Транскрипция, опосредованная РНК-полимеразой I