Как «привратники» ядра клетки пропускают генетические инструкции

Тысячи гигантских белковых структур — ядерных поровых комплексов (NPC) — стоят на страже между ядром клетки и её основной частью, цитоплазмой. NPC действуют как вышибалы ядра, строго контролируя, что входит и выходит. Каждая структура содержит около 1000 молекул белка, что делает NPC одними из крупнейших белковых комплексов в организме. Одними из самых важных «клиентов» NPC являются молекулы матричной РНК (мРНК). Эти молекулы-посредники переносят генетические инструкции из ядра в цитоплазму, где на их основе синтезируются белки.

Однако то, как NPC транспортирует мРНК из ядра, оставалось загадкой. «мРНК — один из самых крупных грузов, проходящих через NPC, и весь процесс занимает доли секунды», — отмечает профессор химии Caltech Андре Хёльц. «Как это работает, было одной из величайших нерешённых проблем в биологии».

NPC связаны с несколькими заболеваниями. Мутации в белках комплекса ассоциированы с моторными нейронными болезнями, такими как боковой амиотрофический склероз (БАС), а у людей с болезнью Хантингтона наблюдаются дефекты в функции их NPC.

В новом исследовании, опубликованном 13 июня в Nature Communications, группа Хёльца впервые получила атомарную картину конкретных компонентов человеческих NPC, ответственных за «высадку» мРНК в цитоплазме. Чтобы мРНК прошла через NPC, она должна быть помечена белком-фактором ядерного экспорта. Эта метка — как билет, позволяющий мРНК войти в центральный транспортный канал NPC. Попав на цитоплазматическую сторону, мРНК должна сдать этот «билет», иначе она может вернуться в ядро, и кодируемые ею белки не будут синтезированы.

С помощью серии экспериментов с использованием рентгеновской кристаллографии, биохимии, энзимологии и других методов исследователи впервые показали, как работает процесс «снятия билета» с молекул мРНК в человеческих клетках.

Команде удалось получить серию кристаллических структур ключевых белковых компонентов человеческого NPC. Один из таких компонентов — белок Gle1. Его трёхмерная структура ранее была получена у дрожжей, но для человеческого варианта это оставалось сложной задачей. Изучив биохимические свойства дрожжевого Gle1, исследователи выяснили, что для его стабилизации требуется другой белок — Nup42. Это знание позволило впервые очистить человеческий белок Gle1 из клеток в больших количествах и с помощью источника синхротронного излучения в Stanford Synchrotron Radiation Lightsource получить его кристаллическую структуру.

Имея возможность очищать человеческий Gle1, учёные исследовали, как мутации влияют на его структуру. Они изучили несколько специфических мутаций Gle1, связанных с моторным нейронным заболеванием — синдромом летальной врождённой контрактуры 1 типа (LCCS1), и обнаружили, что мутировавшие версии белка менее стабильны.

Затем исследователи изучили структуру Gle1 в комплексе с белком DDX19, который отвечает за «снятие билета» с молекул мРНК после прохождения через NPC. Gle1 необходим для активации DDX19. Ранее считалось, что небольшая молекула инозитолгексафосфат (IP6) действует как связующее звено между Gle1 и DDX19, позволяя произойти активации.

«Мы обнаружили, что IP6 не требуется у человека, и это стало неожиданностью, потому что у дрожжей он необходим, а IP6-зависимость ранее считалась общей для всех видов», — говорит Сара Цай. «Хотя между дрожжевыми и человеческими белками есть сходства, есть и ключевые различия».

Более того, новое исследование показывает с атомарной детализацией, как именно работает процесс «снятия билета» с мРНК. Эта структурная информация в будущем может быть использована для разработки терапевтических препаратов против моторных нейронных заболеваний.