Биохимик проливает свет на структуру ключевого клеточного «привратника»

Многие специалисты считали невозможным определение атомной структуры гигантской клеточной машины — ядерного порового комплекса (NPC), жизненно важного для выживания клетки. Эта задача была сродни сборке пазла из 1000 частей с завязанными глазами.

После 10 лет работы команде под руководством Андре Хёльца удалось решить почти треть этой задачи. Разработанный ими подход также ускорит решение оставшейся части.

В статье, опубликованной 12 февраля в Science Express, описана структура значительной части NPC. Этот комплекс состоит из множества копий около 34 различных белков (всего, возможно, до 1000 белков и 10 миллионов атомов). В эукариотических клетках NPC формирует транспортный канал в ядерной мембране, выступая в роли «привратника», который решает, какие молекулы могут проходить в ядро и из него. Выживание клетки зависит от точности этих решений.

Понимание структуры NPC может привести к созданию новых классов противораковых и противовирусных препаратов. «NPC — это огромная мишень для вирусов», — говорит Хёльц. Патогены, такие как ВИЧ и Эбола, используют NPC, чтобы захватить контроль над клетками. Выяснение принципов работы NPC может позволить разработать лекарства, блокирующие такие атаки.

«Мы выдвинули гипотезу, что сможем решить атомную структуру, разбив задачу на управляемые части, и для крупного участка NPC этот подход сработал», — отмечает Хёльц.

Для картирования структуры NPC команда в основном использовала рентгеновскую кристаллографию. Однако получить дифракционные изображения целого NPC крайне сложно, потому что он:

• Огромен (примерно в 30 раз больше рибосомы).
• Сложен (до 1000 отдельных «деталей»).
• Гибок (имеет много подвижных частей).
• Очень мал (всего 120 нанометров в ширину).

Чтобы преодолеть эти препятствия, команда решила определить структуру coat nucleoporin complex (CNC) — одного из двух основных комплексов, составляющих NPC, — вместо того чтобы атаковать всю структуру сразу. Для этого потребовалось разработать специальные инженерные антитела, которые, подобно «суперклею», фиксировали образцы в упорядоченную кристаллическую решетку для получения изображений. Сбор данных проводился на синхротроне в Аргоннской национальной лаборатории.

С помощью полностью автоматизированной установки в Стэнфордском центре синхротронного излучения команда в течение двух лет совершенствовала методику, чтобы получить наилучшие кристаллические образцы.

В результате была определена точная форма, размер и положение всех атомов CNC, а также его расположение в рамках всего NPC. CNC — не первый охарактеризованный компонент NPC, но безусловно самый крупный на сегодняшний день.

Исследованный CNC был выделен из пекарских дрожжей, но его структура идеально подходит для стыковки с NPC человеческой клетки. «Он помещается внутрь, как рука в перчатке. Это указывает на то, что архитектура NPC, вероятно, одинакова у обоих видов, и эта машина настолько важна, что эволюция не изменила ее за миллиард лет», — поясняет Хёльц.

Успех с CNC делает картирование остальной части NPC более достижимой целью. «Это как восхождение на Эверест. Теперь мы знаем, что можем подняться и на К2», — говорит учёный. Он уверен, что полная атомная модель всего NPC будет построена в обозримом будущем.

Однако его мечта простирается дальше: «Мне нужна не статичная картинка поры. Я хочу получить изображение того, как пора движется, как работает эта машина. Пора — не статичное отверстие, она может раскрываться, как диафрагма фотоаппарата, чтобы пропустить нечто гораздо большее. Как она это делает? Для понимания машины в движении нужны не один, а множество снимков. Но имея один, остальные можно получить гораздо быстрее. Это конечная цель. Это мечта».