Ядерные поры оказались динамическими "шлюзами", а не статичными фильтрами

Международное исследование под руководством Университета Базеля показало, что комплексы ядерных пор (NPC) — крошечные ворота в ядерной мембране — не являются жесткими или гелеобразными, как считалось ранее. Их внутренняя структура динамически организована и постоянно движется и перестраивается. Эти открытия меняют понимание жизненно важного транспортного процесса в клетках и имеют значение для изучения болезней и разработки терапий.

Нанонаука проливает свет на биологию

Внутренний транспортный канал NPC выстлан высоко гибкими белковыми "нитями" — FG-нуклеопоринами (FG Nups), которые создают селективный барьер. Поскольку FG Nups могут образовывать гелеподобные структуры in vitro, старые модели сравнивали функцию NPC с жестким ситом.

Команда под руководством профессора нанобиологии Родерика Лима использовала высокоскоростную атомно-силовую микроскопию (HS-AFM), чтобы снять ранее невидимые движения в нанометровом масштабе с миллисекундным разрешением непосредственно внутри поры. Результаты опубликованы в Nature Cell Biology.

"Барьер NPC имеет рыхлую организацию благодаря подвижной центральной пробке, чья природа долго оставалась загадкой. Оказалось, что она состоит из динамической смеси транспортных факторов, молекул груза и FG Nups, которые перемешиваются вдоль центральной оси поры. Это создает высокоадаптивную систему, которая укрепляет барьер, обеспечивая при этом быстрый селективный транспорт", — говорит Лим.

Динамика и восстановление

Изучая NPC из клеток дрожжей, команда обнаружила высокофлюидные движения FG Nups, которые "излучались" по направлению к центральной пробке внутри поры.

"После длительной инкубации центральная пробка NPC исчезала, но восстанавливалась при добавлении транспортных факторов", — сообщает первый автор исследования доктор Тошия Козаи. Примечательно, что транспортные факторы также воспроизводили NPC-подобную барьерную функцию в искусственных нанопорах.

Переосмысление сравнения с гидрогелями

NPC часто сравнивали с гидрогелями, так как FG Nups образуют их in vitro. "Однако эти структуры в тысячи раз больше NPC. Более того, они состоят из спутанных волокнистых структур, которые слишком велики, чтобы поместиться внутри NPC", — объясняет Лим.

"При ближайшем рассмотрении мы обнаружили, что гидрогели были испещрены отверстиями неправильной формы и размера — подобно кухонной губке. Многие из этих отверстий были размером с NPC или даже больше и потенциально могли имитировать NPC-подобное поведение".

Значение и перспективы

Самоорганизующееся динамическое поведение, выявленное в этом исследовании, предлагает единый взгляд на NPC, согласующийся с давними структурными и биохимическими наблюдениями. Сдерживание динамического состояния поры препятствовало селективному транспорту в ядро, подчеркивая важность такого поведения для правильного функционирования клетки.

"Следующая задача — понять, как клетки тонко настраивают эти замечательные наномашины в ответ на меняющиеся потребности — как поры адаптируются к стрессу, регулируют рост и как их засорение способствует развитию болезней", — добавляет профессор Майкл Раут из Университета Рокфеллера, соавтор работы.

Исследование основано на международном сотрудничестве ученых из Университета Базеля (Швейцария), Университета Рокфеллера (США), Фонда науки Ikerbasque (Испания), Института Biofisika (Испания), Университета Гронингена (Нидерланды), Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль), Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США), Йельского университета и Йельской школы медицины (США).