Динамика ядерных пор при раке толстой кишки зафиксирована с помощью HS-AFM

Одной из ключевых причин смертности от рака является высокоинвазивное поведение раковых клеток, часто обусловленное агрессивным метастазированием. Метастазирование облегчается различными факторами роста и цитокинами, секретируемыми клетками иммунной системы, которые действуют через различные сигнальные пути. Примечательно, что эти сигнальные пути попадают в ядро через ядерный поровый комплекс (NPC), который должен выступать в роли привратника. NPC — это наномашина, состоящая из множества копий около 30 различных белков, коллективно называемых нуклеопоринами.

Хотя небольшие молекулы могут довольно свободно проходить через ядерные поры, молекулы крупнее 40 kDa эффективно делают это только путем связывания со специфическими транспортными белками, которые взаимодействуют с FG-Nups (нуклеопорины имеют повторяющиеся единицы из двух аминокислот — фенилаланина (F) и глицина (G); это белки-«щупальца», играющие специфическую и селективную роль в транспорте через пору). Хотя предложены разные модели, участие FG-Nups в транспорте между ядром и цитоплазмой остается во многом неизученным. Кроме того, одновременная оценка наноскопических структур и динамики долгое время была технически неосуществима. Прямая визуализация динамики NPC с нанометровым разрешением считалась невозможной.

Исследовательская группа Университета Канадзавы изучила эту проблему и получила прорывные результаты, комбинируя высокоразрешающую визуализацию живых клеток, электронную микроскопию и высокоскоростную АСМ (HS-AFM), разработанную ими самими для исследования нативной наноскопической пространственной и временной динамики структур NPC в клетках рака толстой кишки.

Сначала они создали стабильные клеточные линии NPC, экспрессирующие GFP (зеленый флуоресцентный белок), и подтвердили это с помощью флуоресцентной микроскопии. Затем они выделили высокоочищенную ядерную оболочку, что было подтверждено с помощью электронной микроскопии с негативным контрастированием и конфокальной микроскопии. После этого они начали наблюдение пространственно-временных изменений в наносекундном и нанометровом масштабе структуры NPC в нативном состоянии в клетках рака толстой кишки, комбинируя высокоразрешающую визуализацию живых клеток и электронную микроскопию. Примечательно, что они провели наблюдение живой ядерной оболочки и ядерных пор с использованием HS-AFM.

Исследовательской группе Университета Канадзавы действительно удалось зафиксировать динамику белков NPC в раковых клетках, которые являются строительными блоками ядерной поры (Рисунок 1). MLN8237/алисертиб, индуктор апоптоза и аутофагии, в настоящее время проходит несколько клинических испытаний при раке. Сообщалось, что этот препарат ингибирует экспрессию и активность нуклеопоринов. Исследователи визуализировали нативные и обработанные препаратом FG-Nups с помощью HS-AFM. В частности, вытянутые и втянутые FG-Nups, имеющие вид паутины, были утрачены в обработанных препаратом образцах (Рисунок 2). Исследовательская группа пришла к выводу, что с помощью HS-AFM они визуализировали деформацию и потерю барьера ядерной поры, образованного FG-Nups, что, возможно, является первым в мире обнаруженным «нано-кодом умирания».

Настоящее исследование группы Университета Канадзавы позволило визуализировать структуру и динамику поры ядерной мембраны в нанометровом масштабе, и показало, что деформация и потеря барьера ядерной поры могут быть одним из кодов умирания раковых клеток. Эти результаты представляют собой новую парадигму в нашем понимании ядерного транспорта, которое до сих пор оставалось загадочной проблемой в области наномедицины и клеточной биологии. Текущие выводы основаны на передовой технологии биоимиджинга, разработанной в Университете Канадзавы. Это исследование имеет медицинское применение, включая роль нового «нано-эндоскопа» для визуализации внутриклеточных органелл, таких как ядро и ядерные поры, и молекулярной динамики в раковых клетках и при других заболеваниях.