核输入（Nuclear Import）和核输出（Nuclear Export）是细胞核与细胞质之间分子运输的核心机制。这一过程通过核孔复合体（Nuclear Pore Complex, NPC）高效、有选择性地完成，确保了细胞的基因表达、信号传递和生长分化等关键活动的正常进行。
核输入（Nuclear Import）
核输入是指分子从细胞质运输到细胞核的过程，例如转录因子、DNA修复蛋白和核糖体蛋白等。
一、核输入的生物学必要性
1.转录因子：细胞质中的核糖体合成转录因子，这些分子需要进入细胞核与DNA结合，启动基因转录。
2.DNA修复酶：当DNA发生损伤时，修复酶需快速进入细胞核执行修复功能。
3.核糖体蛋白：核糖体的组成部分需要从细胞质运回细胞核以完成装配。
二、核输入的分子机制
1.核定位信号（NLS）
核定位信号（Nuclear Localization Signal, NLS）是目标分子携带的一段短氨基酸序列，负责标记分子进入细胞核。NLS通常是富含碱性氨基酸（如赖氨酸和精氨酸）的序列。
2.导入受体（Importin）的识别
导入受体Importin分为两种亚基：
Importin α：结合核定位信号（NLS）。Importin β：与核孔复合体相互作用，负责运输。
3.通过核孔复合体（NPC）
Importin与目标分子（货物）结合形成复合物，随后通过与核孔复合体的选择性相互作用，运输到细胞核内部。
4.Ran GTP的作用
Ran GTP是位于细胞核内的一种小G蛋白：Ran GTP与Importin结合，导致Importin释放目标分子。Importin与Ran GTP形成复合物后返回细胞质。
5.Ran循环维持方向性
Ran GTP在细胞核内浓度较高，由鸟苷酸交换因子（GEF）维持。Ran GDP在细胞质内浓度较高，由GTP酶激活蛋白（GAP）通过水解Ran GTP生成。
三、核输出（Nuclear Export）
核输出是指分子从细胞核运输到细胞质的过程，通常包括mRNA、tRNA、核糖体亚基及某些核蛋白的输出。
1. 核输出的生物学必要性
mRNA运输：细胞核中合成的mRNA需要导出到细胞质进行翻译。
核糖体亚基：这些分子在细胞核中组装后需转运至细胞质中完成蛋白合成。
蛋白质更新：某些核蛋白需要降解，这需要通过核输出将其运送至细胞质。
2. 核输出的分子机制
（1）核输出信号（NES）
核输出信号（Nuclear Export Signal, NES）是一段特殊的疏水性氨基酸序列，例如富含亮氨酸的序列。NES标记需要导出的目标分子。
（2）导出受体（Exportin）的识别
Exportin与目标分子的NES结合，同时与Ran GTP结合，形成三元复合物。
（3）通过核孔复合体
Exportin-Ran GTP-货物复合物通过核孔复合体运送到细胞质。
（4）Ran GTP的水解
Ran GTP在细胞质中被GAP催化水解为Ran GDP，导致复合物解离并释放目标分子。
（5）导出受体的回收
Exportin与Ran GDP被重新运输回细胞核，为下一轮核输出过程做好准备。
四、Ran循环的核心作用
Ran蛋白是核输入和核输出过程中方向性运输的关键。
1.Ran GTP的分布：
核内：Ran GTP浓度高，由GEF维持。
核外：Ran GDP浓度高，由GAP生成。
2.梯度作用：Ran GTP与Ran GDP的浓度梯度为运输提供驱动力，并确保运输方向性。
3.Ran蛋白循环：Ran GTP通过水解变为Ran GDP并返回核内，再通过鸟苷酸交换恢复活性。
五、核输入和核输出的调控
1. 时间与空间的动态调控
转录因子的时间限制：某些转录因子仅在特定时间段进入细胞核以调控基因表达，例如NFAT在T细胞激活过程中被动态调控。
DNA修复的快速响应：当DNA损伤时，修复蛋白需迅速输入细胞核以启动修复。
2. 信号依赖性调控
NFAT的核转运：
高钙环境下，钙依赖性磷酸酶（Calcineurin）去磷酸化NFAT，暴露NLS，促使其进入细胞核。
低钙环境下，NFAT重新磷酸化，暴露NES，被Exportin运输至细胞质。
3. 跨膜蛋白的调控
核运输受细胞膜内外信号变化的调控，这些信号通过调节Ran循环、导入受体或导出受体实现对运输的精准控制。
六、核输入和核输出的生物学意义
1.基因表达的调控：转录因子的核输入与输出直接影响基因表达的强度与时间。
2.信号转导的桥梁：核运输机制将细胞质信号与核内基因表达连接。
3.细胞周期的调节：细胞周期调控蛋白通过核输入与输出确保细胞周期的正确运行。
4.免疫应答和分化：T细胞活化、分化等过程依赖于特定分子的动态核运输。
5.DNA损伤修复：核运输确保DNA修复蛋白快速到达损伤区域。
