Исследование в Nature показывает, как молекулы покидают ядро клетки
Используя созданный ими микроскоп с рекордным разрешением для живых клеток, исследователи из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна Университета Йешива визуализировали молекулярные взаимодействия во время одного из важнейших процессов в биологии — транспорта отдельных молекул матричной РНК (mRNA) из ядра в цитоплазму для синтеза белков. Результаты, опубликованные 15 сентября в онлайн-издании Nature, представляют собой крупный прорыв в микроскопии. Они могут привести к разработке методов лечения таких заболеваний, как миотоническая дистрофия, при которой mRNA «застревает» в ядре клетки.
Старший автор исследования — Роберт Сингер, доктор философии. Соавтор — Дэвид Грюнвальд из Института нанонауки Кавли Делфтского технического университета (Нидерланды). До их работы предельное разрешение микроскопии в живых клетках составляло 200 нанометров. В этой работе исследователи улучшили этот предел в 10 раз, успешно различая молекулы на расстоянии всего 20 нанометров.
Инструкции для синтеза белков закодированы в ДНК генов в ядре. В процессе синтеза эти инструкции транскрибируются на молекулы mRNA, которые затем должны выйти из ядра в цитоплазму.
Известно, что молекулы перемещаются между ядром и цитоплазмой через белковые комплексы — ядерные поры. Пометив молекулы mRNA желтым флуоресцентным белком (зеленый на изображении), а ядерные поры — красным флуоресцентным белком, исследователи с помощью высокоскоростных камер засняли процесс транспорта mRNA через поры в реальном времени в живых клетках.
«До сих пор мы действительно не имели представления, как mRNA проходит через ядерные поры», — сказал доктор Сингер. «Интуитивно предполагалось, что медленной частью процесса будет протискивание молекулы через узкий канал поры. К нашему удивлению, мы наблюдали, что молекулы mRNA быстро проходят через поры, а медленными событиями оказались стыковка с ядерной стороны и ожидание высвобождения в цитоплазму».
Было обнаружено, что одиночные молекулы mRNA:
- Прибывают к поре и ждут 80 миллисекунд, чтобы войти.
- Проходят через пору чрезвычайно быстро — всего за 5 миллисекунд.
- Ждут на другой стороне поры еще 80 миллисекунд перед высвобождением в цитоплазму.
Наблюдаемые периоды ожидания, а также тот факт, что 10% молекул mRNA задерживаются у пор на секунды без входа, позволяют предположить, что в этой точке может происходить контроль качества mRNA.
«Мы задаемся вопросом, не подвергались ли те молекулы mRNA, которые не смогли пройти через поры, механизму контроля качества, который не дал им „добро“ на вход», — сказал доктор Сингер.
В предыдущих исследованиях миотонической дистрофии доктор Сингер обнаружил, что в клетках пациентов mRNA застревает в ядре. «Понимая, как mRNA покидает ядро, мы сможем разработать методы лечения миотонической дистрофии и других заболеваний, при которых транспорт mRNA заблокирован», — заключил он.