全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 5期
2008年 10月
Vol. 20, No. 5
Oct., 2008
蛋白质相互作用调控蛋白质核转运及其功能
陈 斯，王 建，杨晓明*
（军事医学科学院放射与辐射医学研究所，北京 100850）
摘　要：蛋白质的核转运是真核生物细胞内发生的重要过程之一，是一大群蛋白质发挥其功能的前提，
与细胞正常功能的维持密切相关。蛋白质的核运输通常采用核受体介导的方式进行。此过程非常复杂，
需要多种蛋白质的参与，涉及到大量的蛋白质相互作用。本文将综合近年来本领域取得的进展，就蛋
白质相互作用参与蛋白质核转运来调节蛋白质的亚细胞定位，进一步在多方面影响细胞以及生物体生理
功能的变化进行阐述。
关键词：蛋白质；核转运；相互作用
中图分类号：Q 5 1；Q 8 1 6　　文献标识码：A
Protein-protein interaction is essential on nuclear transport and
function of nuclear located proteins
CHEN Si, WANG Jian, YANG Xiao-ming*
(Beijing Institute of Radiation Medicine, Beijing 100850, China)
Abstract: Nuclear transport is an important event in eukaryotic cells, which is the key prerequisite for functional
proteins and cell viability. Nuclear transport of proteins is always mediated by nuclear import receptors, which
is a very complicated process and involves lots of different proteins and protein-protein interactions. This
article reviews recent progress in this field within last a few years. We talk about protein sub-cellular transloca-
tion regulated by protein-protein interaction involved in nuclear transport, and discuss its impact on cellular
physiological functions in distinct aspects.
Key words: protein; nuclear import; interaction
文章编号 ：1004-0374(2008)05-0790-05
在真核生物中细胞核由核膜包被，而真核生物
的基因复制、转录、蛋白质翻译及修饰这些基本的
生命活动是在细胞的特定区域分区完成。因此，相
关的核酸、蛋白质等分子物质跨越核膜在细胞核与
细胞质之间穿梭对细胞执行正常的生物学功能尤为重
要。但是细胞膜对进入细胞核的物质有着严格的要
求，特别是蛋白质等大分子物质，有着更加严格的
筛选。已有大量研究表明，生物大分子以主动运输
的方式通过核孔复合体穿过核膜是需要受体介导的。
在这个过程中，蛋白质间的相互作用与解离是
最基本的实施方式，对生物大分子的核转运起着重
要的调节作用。本文将对蛋白质相互作用在蛋白质
核转运过程中所起的作用，以及对其生物学和生理
收稿日期：2008-04-28；修回日期：2008-05-21
基金项目：“863”计划(2006AA02A310，2004BA
711A19) ；“973”(计划 2006CB910802) ；国家自然
科学创新群体基金(30621063)
*通讯作者：E-mail: xmyang2@nic.bmi.ac.cn
功能的影响进行阐述。
1　核输入通路中的基本构成和分子机制
1.1　核输入类型与核孔复合体　真核细胞核膜由内
外两层磷脂双分子层组成，并镶嵌有核孔复合体
(NPC)。NPC由细胞膜内的基本框架结构、附着在
胞质面环上的纤维状结构，以及核质面环上的篮状
结构三部分组成。NPC的孔径为 25nm，中心通道
791第5期 陈　斯，等：蛋白质相互作用调控蛋白质核转运及其功能
的直径约为 9nm。核膜孔内外口的周边均有对称排
列的 8个球状颗粒，中央有一个中心颗粒(又称孔
栓)。从位于核孔中心的中心颗粒放射状发出细丝
与 16个亚单位相连[1]。NPC起到分子筛的作用，使
得细胞核膜两边的物质能够有控制地进行交换。
NPC的数量、分布位置、密度都和细胞代谢活动
密切相关。
由于NPC的存在，各种分子在穿梭核膜的时候
分为多种形式。相对分子量质量小于 40－ 50k的小
分子物质以自由扩散的方式自由通过核孔；而相对
分子质量超过此范围或直径大于6 nm 的生物大分子
(如核酸与蛋白质等)则必须以能量依赖的方式进行主
动转运[2]。蛋白质的主动转运通常需要在胞浆内可
溶性转运受体蛋白的介导下完成。
1.2　核转运受体　核转运受体在蛋白的主动运输过
程中发挥了决定性的作用。Karyopherin是一类与核
孔选择性运输有关的蛋白家族，相当于受体蛋白。
Karyopherins与NPC复合体短暂的相互作用会促进
通过NPC的转运。Karyopherins与它的靶蛋白的相
互作用通过 GTPase Ran调节[3]。核转运受体包括
Importin α (Karyopherin α) 和Importin β (Karyopherin
β )两个家族。
Importin α在蛋白质核输入过程中相当于一个
接头蛋白，一端识别并连接将要入核的蛋白；另一
端连接在 Importin β 或 Importin β 的同系物上。在
哺乳动物细胞中，Importin α 蛋白家族包含 6个成
员，即 Importin α1/Rch1、Importin α3/Qip1、Importin
α4/hSRP1γ、Importin α5/hSRP1、Importin α6 和
Importin α7[4]。Importin α 家族不同成员的表达规律
和细胞的种属及分化状态有关。不同的 Importin α
蛋白具有各自独特的NLS结合特征，而且它们的蛋
白质和mRNA 的表达水平在不同的组织中是具有选
择性的。在某些特殊的情况下，不同的 Importin α
蛋白也会出现功能上的补偿作用[5]。Importin α 家
族成员参与识别和运载的靶蛋白举例见表 1。
Importin β 家族成员是一类真核生物中广泛分
布的核质转运受体蛋白。一个物种的 Importin β家
族成员的数目有限，在哺乳动物中有 20个左右。这
些家族成员的相对分子质量大约在 95－ 145 k之
间，在功能上保守，在蛋白质序列上具有较低的相
似性。在细胞中，有限数目的 Importin β可以转运
数量繁多的底物。一种受体负责转运多种底物，这
是通过 Importin β蛋白的HEAT Repeats 超螺旋结构
域来实现的。HEAT Repeats 超螺旋结构域可以改
变为相互作用蛋白提供丰富的结合位点。另外，
Importin β 可以使用四种接头蛋白(Importin α、
Importin 7、XRIP、Snurportin)来识别不同类型的
底物，两者共同作用，协调了少数受体结合大量底
物的矛盾。有些 Importin β可以直接识别并且结合
底物蛋白的核定位信号(nuclear location signal, NLS)
或者核输出信号(nulear export signal, NES)，也有
一些受体蛋白需要特殊的接头蛋白来识别和结合特
定类型的底物。如 Import in β 1就需要接头蛋白
Importin α 识别并结合具有经典核定位信号的底物，
再通过 N端的 IBB (Importin β binding)结构域与
Importin β1结合，Importin β1才能参与随后的与
核孔蛋白Nups 或 Ran 蛋白的相互作用[8]。
1.3　核转运受体介导的蛋白质入核机制　需要核转
运受体介导的蛋白质入核机制可以分为需要Importin
α/β依赖的蛋白质入核机制， (仅依赖 Importin β或
其同系物的蛋白质入核机制，仅依赖 Importin α的
蛋白质入核机制)和不依赖于核受体 Importin α/β的
蛋白质入核机制。
经典的核输入过程主要是核转运受体 Importin
α/β依赖的蛋白质入核机制。这种转运机制的基本
过程主要包括[9] ：Importin β-RanGTP 复合体在NPC
的胞质面与 RanBP2 结合；靶蛋白通过 Importin α
结合在 Importin β和 RanBP2上；形成 RanGDP/
表 1　Importin α 蛋白家族成员及部分底物[6,7]
Importin α family Examples of cargoes
Importin α 1 (Rch 1)/KPNA2 “Classical” NLS ( PKKKRKV ) containing proteins
Importin α 2 Transcriptional factors and many viral proteins
Importin α 3 (Qip 1)/KPNA4 DNA binding proteins
Importin α 4 (hSRP1γ)/KPNA3 NF-κB
Importin α 5 (NPI 1)/KPNA1 Stat1 and Stat3
Importin α 6/KPNA5 Unknown
Importin α 7/KPNA6 Stat3
792 生命科学 第20卷
Importin α/Importin β/靶蛋白的转运复合体；转运
复合体在核孔蛋白和NTF2 等的参与下通过NPC 进
入胞核内；GDP转换成 GTP，使得 Importin α 和
靶蛋白分别从上述转运复合体中解离，完成靶蛋白
的核内转运过程；与 Ran2GTP 结合的 Importin β
复合体返回胞浆；Importin α在核内核输出受体
CAS的帮助下回到胞浆。在这一过程中，靶蛋白上
的核定位信号(NLS)是 Importin α识别的关键和结合
的位点，在核输入中发挥决定性的作用。因此，这
一过程只能介导具有NLS 的靶蛋白入核。一旦NLS
发生关键性的碱性氨基酸突变就会影响蛋白正常的
入核过程 [ 6 ]。
另一类蛋白入核机制不需要 Importin α 的参
与，而是由 Importin β直接识别靶蛋白，介导其入
核。在这一机制中，一般靶蛋白都具有 NLS 供
Importin β 识别和结合，但是这些NLS在氨基酸序
列构成上缺乏规律性。
靶蛋白究竟由 Importin α 还是 Importin β 识
别，这与靶蛋白的核定位信号类型有关。核定位信
号通常可以分为三类。第一类由单簇碱性氨基酸组
成，包含 5－ 10个碱性氨基酸；第二类由两簇碱
性氨基酸组成，包含一段 5－ 20个氨基酸残基组成
的间隔序列，称为双向核靶序列；第三类其碱性氨
基酸残基不单独成簇，在构成上没有明显的特征，
其中第一类和第二类NLS称为常规核定位信号，由
Importin α识别，而第三类 NLS 没有明显特征，
通常由 Importin β同系物来识别。
除了以上两种入核机制，也有发现某些种类的
蛋白在入核过程中无需受体Importin β及其同系物的
参与，而仅依赖于 Importin α。比如 CaMKIV就是
通过与 Importin α的 C端发生相互作用形成异源二
聚体入核的[10]。有实验表明，IBB 结构域缺失的
Importin α 能够促进 CaMKIV 的核转运能力，说明
Importin β 在CaMKIV 的入核过程中没有发挥作用，
CaMKIV 的入核仅依赖于 Importin α 而不需要
Importin β的协同参与[10]。
2　蛋白质相互作用在核输入中的作用和功能影响
2.1　核质转运的调控机制　在细胞中可以从多种途
径对蛋白质的核质转运进行调控。研究较多的包括
有对靶蛋白的NLS位点进行修饰，对受体蛋白进行
修饰，将靶蛋白锚定在胞质或者胞核，使靶蛋白形
成同源二聚体掩盖核质转运所需的重要位点等等。
有些重要的蛋白，为了保证一定的浓度以维持机体
正常活动的需要，同时受到多种受体的转运和调
控，这些受体可能存在互补或者竞争的关系。调节
这些受体和蛋白的相互作用可以对这些重要蛋白的
转位进行更为精细的调控。
在这些调节机制中，无论是哪种机制，哪一
级别的调控，都伴随着庞大的蛋白质相互作用体系
的变化。 对蛋白质相互作用发生和解离的动态调节
可以直接影响靶蛋白在胞核和胞质的定位分布。
2.2　蛋白质相互作用在核质转运过程中的作用　在
蛋白质发生核质转运的过程中几乎每一步都伴随着
蛋白质相互作用的发生和解离。这些相互作用的变
化都对靶蛋白的亚细胞定位起着重要的作用。已有
大量的蛋白质相互作用相关的研究表明，蛋白质相
互作用的变化，特别是靶蛋白受体和靶蛋白之间相
互作用的变化，对靶蛋白的亚细胞定位以及靶蛋白
正确执行相应的功能都具有非常重要的作用。
已有研究表明，Importin α1与Nijmegen break-
age syndrome1 (NBS1)发生相互作用并帮助其入核，
Importin α1 被 RNA 干扰掉以后明显影响NBS1 的
入核，并且细胞的双链损伤(DSB)修复程度被降低
了。钝化 Importin α1 与 NBS1在 NBS1 上的相互
作用位点同样会降低NBS1 在DNA 修复中的功能[11]。
另有研究表明，已知血清 / 糖皮质激素调节激酶
(SGK)在胞质胞核中穿梭，并且在不同的细胞周期
处于不同的亚细胞定位。对SGK在时间和空间上的
调节对生长和分化的调节非常重要。Importin α作
为SGK 的入核受体以直接相互作用的形式对SGK的
亚细胞定位进行调节并影响其下游的重要功能。影
响这两者相互作用的机制除了NLS的存在以外，还
有磷酸化的调节。被磷酸化的 SGK与 Importin α的
结合能力明显增强，入核增加。这两者的结合能力
只与SGK的磷酸化水平相关，与它的磷酸激酶活性
无关 [ 1 2 ]。
某些蛋白质的细胞核定位需要一定的钙离子浓
度，很多情况下也与核定位受体与靶蛋白的相互作
用相关。我们知道N-甲基 -D-天(门)冬氨酸(NMDA)
受体活性和钙离子浓度可以影响突触的可塑性，神
经细胞的退化等。Jacob是神经核的组成成员，是
一个重要的蛋白，在大脑边缘系统和大脑皮层高表
达, 它可以将NMDA 受体的信号传递到神经核内，
导致突触接触点的迅速脱落，并且彻底改变树突的
形态。Jacob从末梢突触的核转运需要经典的核输
入通路。钙结合蛋白(Caldendrin)可以结合在 Jacob
793第5期 陈　斯，等：蛋白质相互作用调控蛋白质核转运及其功能
的核定位信号上，通过竞争 Import α与 Jacob 核定
位信号的结合来控制 Jacob的核外定位。这两者的
结合过程依赖钙离子的存在[13]。因此，在NMDA受
体活性和钙离子浓度影响神经细胞的事件中，Jacob
的亚细胞定位起到重要作用。而 Jacob的定位实际上
则是和Caldendrin的结合调控密切相关的。
不仅仅是核定位受体蛋白，一些其他结合蛋白
的细微变化也是决定靶蛋白亚细胞定位的重要因素。
p38α和 p38β有丝分裂激活蛋白激酶(MAPKs)具有
80%的蛋白序列相似性，但是却拥有非常不同的生
物活性。 其中一个显著的区别在于调节它们下游激
酶的亚细胞定位的不同，如PRAK(p38调节 /激活蛋
白激酶，或MK5)。p38α-PRAK 复合体定位在胞
核，而 p38β-PRAK 复合体则特异性地定位在胞质。
在产生了一系列p38α和p38β的突变体之后发现，两
个氨基酸残基，p38α的 Asp(145)和 Leu(156)，以
及 p38β的Gly(145) 和Val(156)，特殊地决定上述
复合体的亚细胞定位[14]。推测 p38α和 p38β 的这两
个氨基酸残基的不同可能会对PRAK 核定位信号造
成不同的影响，并进一步影响复合体的核输入。
此外，有一些重要的蛋白质需要大量定位在胞
核内以执行基本的功能，通常会有多种受体可以与
靶蛋白发生相互作用，介导其入核，比如形成转录
因子AP-1的 c-Jun，能与其发生相互作用的入核受
体包括有 Importin β、Importin 5、Importin 7、
Importin 9和 Importin 13等[15]。任何一个受体与
c-Jun 的结合出现了问题，都会有其他受体在功能
上进行补偿，以维持细胞核内 c-Jun的浓度，来执
行基本的功能。另一些重要的蛋白在不同的亚细胞
定位时都执行重要的功能，可以与多种定位相关的
蛋白结合则是为了更加精细的亚细胞定位调节，如
LKB1是一个丝氨酸 /苏氨酸激酶，调节细胞的极
性、新陈代谢和细胞生长。LKB1 的活性和细胞分
布受其辅助因子 STRADα 和MO25决定。STRADα
诱导 LKB1 从核到质的重新定位，并且刺激它的催
化活性。MO25 稳固 STRADα/LKB1 的相互作用。
虽然 LKB1 是被 Importin α/β转运入核的，STRADα
和MO25 被动地在胞核胞质间扩散，但是 STRADα
诱导 LKB1在胞核胞质间穿梭。STRADα通过帮助
LKB1 与核输出因子 CRM1 和 exportin7 的结合诱导
LKB1的核输出。STRADα通过与 LKB1竞争和
Importinα的结合来抑制 LKB1 的核输入。MO25 稳
固STRADα/LKB1复合体，但是并不促进核质穿梭[16]，
可见 LKB1的定位是受多种因子作用机制调控的。
可见，不仅仅是受体与靶蛋白之间发生相互作
用，有多种蛋白都可以与靶蛋白相结合，并对其入
核情况进行多种形式的调节。再加上蛋白质的一些
修饰对相互作用的细微调节，以及多种相互作用蛋
白之间的竞争，蛋白质相互作用在靶蛋白的亚细胞
定位中起到重要的作用，并且会影响靶蛋白功能的
发挥。
2.3　蛋白质相互作用通过核质转运对细胞生命活动
的影响　由于某些重要蛋白在细胞中的正确定位对
发挥生物学功能影响重大，因此一些蛋白质可以和
靶蛋白以发生相互作用的方式影响其亚细胞定位，
它们是否执行正确的功能对生物体就显得尤为重要
了。已知有某些细胞生命活动，甚至疾病和核转运
受体的非正常表现密切相关。
雄激素受体(AR)的核定位对个体正常的生理状
态非常重要。Import α是结合并帮助AR入核的受
体蛋白。如将AR或者AR的NLS位点突变，会使
得 Import α不能正常地与AR结合，以致AR不能
正常入核。AR或者AR的NLS位点的突变体造成的
AR异常亚细胞定位明显与前列腺癌以及雄激素不敏
感症候群相关[17]。在观察不同类型的人类纤维组织
的过程中，发现 Importin α1、RanBP1和 CAS这几
种和蛋白质核转运相关的蛋白质在年轻组的表达水平
明显高于老年组。对一些老年疾病组织的观察也表
明，某些与核转运相关的蛋白质表达水平较低[18]。
可见蛋白质的核转运对生命活动的影响还是很重要
的。Mason等[19]报道，Importin α2在果蝇的卵子
发生过程中发挥不可替代的作用，Importin α1在某
些肿瘤组织中明显表达量偏高，有望作为诊断用分
子靶标。种种研究表明，核转运受体发挥正常的功
能，能够正确地帮助靶蛋白进行亚细胞定位，对生
物体正常生命活动的进行非常重要。
3　小结与展望
蛋白质在细胞中的核转运是一个非常复杂的过
程，其中除了靶蛋白本身，还涉及到核孔复合体、
核转运受体蛋白、核转运复合体等多种蛋白的参
与，每一步都伴随着大量蛋白质相互作用的发生和
解离。对这些蛋白质相互作用的调控影响到靶蛋白
是否能够正确地进行亚细胞定位，是否能够发挥正
确的生物学功能。通常一个靶蛋白的定位和功能的
发挥都是在多个水平进行多重调节和竞争，最后形
成的一个动态平衡。很多重要的生物学功能都和核
794 生命科学 第20卷
心蛋白质能够进行正确的亚细胞定位密切相关。最
近一些疾病的形成也被发现和重要蛋白的亚细胞定
位异常有关。因此，探明蛋白质的入核机制和调节
机制，对研究机体的生命活动，阐明疾病机理，尤
为重要。近年来，关于蛋白质核转运机制的研究已
初见成果。此时以研究蛋白质核转运过程中的蛋白
质相互作用为手段，可以更加细致地探讨蛋白质入
核的调节机制，为探知生命活动、开发新的疾病诊
断方法以及新药物的研发开辟道路。
[参　考　文　献]
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