很多核蛋白（例如组蛋白，RNA聚合酶和转录因子等）是由游离核糖体翻译的，在某种特定条件下通过核孔（nuclear pore）进入细胞核。除核蛋白外，RNA、核糖体亚基，以至于病毒颗粒等物质都需要通过核孔进行运输。
细胞、核膜与核孔复合物。Integr Biol (Camb). 2016 Oct 1; 8(10): 1011–1021.
细胞核与细胞质之间物质运输频繁，所以有专门的运输通道：核孔。一个哺乳动物细胞大约有几百到几万个核孔，平均约2000-4000个。细胞核也是双层膜，即内膜和外膜。在某些位置两层膜融合起来，形成核孔。核孔复合物（nuclear pore complexes，NPC）用于维持核孔形态及管理物质运输。
NPC是一种大型蛋白质复合物，由30多种（500多个）核孔蛋白（nucleoporins，Nups）构成。人类的NPC外径约110 nm，高约70 nm，分子量约125 MD。
核孔复合物与跨核膜运输。Cell. 2016 Mar 10; 164(6): 1162–1171.
NPC含有有三个大的环状结构，即细胞质环（外环），中央辐条环（central spoke ring，也称为膜环）和核质环（内环），它们构成稳定的轮状支架，包围着中央转运体（central transporter）。在细胞质侧和核质侧还有与之相连的蛋白质结构，分别称为胞质纤丝（cytoplasmic filaments）和核篮（nuclear basket）。
核孔复合物结构。Nature. 2018 Mar 22; 555(7697): 475–482.
通常直径小于5 nm或质量小于40 kD的分子可以自由穿过NPC通道，而较大的分子就需要主动转运。与其它靶向方式类似，这也需要蛋白本身的定位标签，以及相应的识别受体和转运机制。
NPC对蛋白质的运输是双向的，胞浆蛋白入核的标签称为核定位信号（nuclear localization signal，NLS），核内蛋白出核的标签称为核输出信号（nuclear export signal，NES）。
最初鉴定的NLS多富含碱性氨基酸，所以此类NLS称为碱性NLS或经典NLS（cNLS）。此类具体又分为两种类型，即单一型（monopartite type）和双分型（bipartite type）。前者是一段4-8个残基的碱性序列，如最早发现的SV40大T抗原NLS（PKKKRKV）；后者是两段碱性序列，中间相隔约10-12个残基。
非经典NLS如脯氨酸-酪氨酸NLS（PY-NLS），因其保守的C-末端RX 2-5 PY基序而得名。人体中含有PY-NLS的蛋白至少有100多种。此外，酵母蛋白Hrp1和Nab2中的RG-NLS，以及hnRNP A1蛋白的38个氨基酸长的NLS（M9 sequence）都与PY-NLS类似，而STAT5a的NLS则是扩展的无规卷曲结构域。还有些蛋白具有多个不同种类的NLS。
PY-NLS的结构与识别方式。Biochim Biophys Acta. 2011 Sep; 1813(9): 1593–1606.
核转运受体（NTR）负责识别NLS，并携带货物蛋白在核质间穿梭。目前发现的NTR都属于核转运蛋白（karyopherin，KAP或KPN）家族。karyopherin 来自希腊语，karyon相当于英语nucleus，pherein相当于英语bring。
核转运蛋白按功能分为输入蛋白（importin，Imp）和输出蛋白（exporting）。另外还有所谓transportin（TRN），这个名称是由于当时误认为它既有输入又有输出功能，后来名称被保留下来。相反，人类的importin 13和exportin 4都具有双向运输能力，但以其中一种为主，所以并不叫transportin。
按照结构和作用特点，核转运蛋白分为α（KPNA）和β（KPNB）两类。前者能够识别经典NLS，但没有穿梭功能，需要由KPNB携带入核。后者具有穿梭核质的作用，并可结合KPNA或非经典NLS或NES。
Importin-α的结构与亚型。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2018 Aug 3; 94(7): 259–274.
将两种分类相结合，KPNA均为importin，所以karyopherin-α也称为importin-α，现有7种亚型；而KPNB则包括importin-β和exportin，至少有19种亚型。
含cNLS的货物蛋白与importin-α结合，然后再与importin-β1形成三元复合物，由importin-β1携带着通过NPC。入核之后复合物解离，释放货物蛋白，此时需要使两种核转运蛋白返回细胞质，以进行下一轮转运。这个“再循环”过程需要一种小G蛋白，称为Ran。
cNLS引导的入核过程。Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 2018 Aug 3; 94(7): 259–274.
Ran-GTP与三元复合物的结合使其解离。Importin-β1可以与Ran-GTP结合，通过NPC回到胞质；importin-α因为缺乏穿梭能力，所以除需要Ran-GTP外还需要一个输出蛋白，如CAS（exportin2）或CRM1（exportin1）。
非经典NLS，如PY-NLS，可以直接与karyopherin-β2（也称为transportin-1或importin-β2）结合，从而进入细胞核。所以说，非经典NLS不需要衔接蛋白，这是把importin-α看作cNLS与importin-β之间的接头。Kapβ2除识别PY-NLS外，还可识别多种RNA结合蛋白，如hnRNP A1蛋白的M9序列等。
多种跨核膜运输方式。FEBS J. 2015 Feb; 282(3): 445–462.
NES是疏水性的短肽，具有LXXXLXXLXL的共有序列。RNA出核也靠NES。它本身没有NES，而是在核质中形成核糖核蛋白复合物，借助蛋白质组分的NES与exportin结合。例如，exportin-t负责tRNA的核输出。
参考文献
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