Исследователи определили 3D-структуру ключевого строительного блока ядерной поры
Геном сложных организмов хранится внутри ядра клетки. Управлять процессами в клетке он может, только получая информацию извне и отправляя сигналы обратно. Доступ к ядру контролируют ядерные поровые комплексы (NPC), которые встроены в ядерную мембрану и фильтруют весь биохимический трафик. Учёные впервые получили трёхмерное изображение целого субкомплекса NPC — ключевого строительного блока этой малоизученной и эволюционно древней структуры, фундаментальной для развития почти всей многоклеточной жизни на Земле.
Исследование, проведённое Мартином Кампманном из лаборатории клеточной биологии профессора Гюнтера Блобеля, добавляет детали к картине клеточной эволюции. Она показывает общую архитектуру для NPC и везикул с белковым чехлом, которые транспортируют материал внутри клетки. Ещё в 1980 году Блобель предположил, что внутренние мембраны клеток (например, ядра и везикул) эволюционировали из складок внешней клеточной мембраны. Учёные Брайан Чейт и Майкл Раут в 2004 году выдвинули идею, что и NPC, и белковые чехлы везикул, содержащие сходные белковые домены, произошли от древних мембранных белков, стабилизировавших эти первичные внутренние мембраны.
«До сих пор было неясно, как эти древние домены работают в ядерном поровом комплексе, — говорит Кампманн. — Теперь мы видим, что α-спиральные домены образуют длинные гибкие "руки" и "шарниры", которые заканчиваются более компактными, глобулярными β-пропеллерами. Тот же архитектурный принцип обнаружен в клатрине, обычном компоненте белковых чехлов везикул».
В исследовании, опубликованном в Nature Structural & Molecular Biology, Кампманн изолировал и очистил образцы самого фундаментального строительного блока NPC, известного как комплекс Nup84, состоящий из семи белков. Весь NPC (огромный по молекулярным меркам) состоит из 30 различных видов белков. Сосредоточившись на комплексе Nup84, Кампманн использовал электронный микроскоп (EM), чтобы сделать тысячи изображений комплекса в разных состояниях (конформациях). Эти изменения могут отражать его роль в расширении и сжатии, которые, как полагают, облегчают прохождение молекул разного размера через NPC. Вычислительно усреднив эти разные виды, он реконструировал первые трёхмерные модели комплекса Nup84. Затем, на основе предыдущей работы в лаборатории Блобеля с использованием рентгеновской кристаллографии для определения точной атомной структуры отдельных белков комплекса, он «встроил» эти белки в EM-структуру.
«Поскольку ядерный поровый комплекс, вероятно, слишком велик и гибок, чтобы определить его полную атомную структуру с помощью рентгеновской кристаллографии, я думаю, что этот трёхмерный EM-подход может сильно помочь в решении всей головоломки, — говорит Кампманн. — Он позволяет нам поместить имеющиеся кристаллические структуры в контекст».
Кампманн применяет EM-подход к другим субъединицам, надеясь прояснить общую картину одной из самых загадочных машин в молекулярной биологии.
«Данные Мартина представляют собой важный шаг вперёд в сборке структуры NPC», — говорит Блобель.
Учитывая центральную роль NPC в самых базовых клеточных процессах, дефекты в его сборке, структуре и функции могут иметь летальные последствия. Его белки связаны с вирусными инфекциями, первичным билиарным циррозом и раком. Понимание того, как работает комплекс, может привести к методам лечения этих заболеваний, а также раскрыть эволюционный прорыв, который привёл к появлению структуры, защищающей гены в каждой клетке сложнее простейших одноклеточных микроорганизмов: ядра.