Ученые составили карту портала в ядро клетки

Ядро клетки, как островное государство, имеет транспортную проблему. Эволюция окружила его двойной мембраной — ядерной оболочкой, которая защищает ДНК, но и изолирует её от остальной клетки. Решение природы — массивная (по молекулярным меркам) цилиндрическая структура, известная как ядерный поровый комплекс (NPC), через который осуществляется импорт и экспорт, соединяя основную часть клетки с её "штаб-квартирой".

В исследовании, опубликованном 14 марта в Nature, ученые из Университета Рокфеллера и их коллеги определили архитектуру ядерного порового комплекса в клетках дрожжей. Обнаруженный ими биологический "чертеж" разделяет принципы, иногда наблюдаемые в гораздо большем масштабе в бетоне, стали и проволоке.

"Это напоминает нам подвесной мост, в котором сочетание прочных и гибких частей создает устойчивую к нагрузкам структуру", — говорит Майкл П. Раут, руководивший работой вместе с Брайаном Т. Чейтом.

Поровый комплекс содержит 552 белковых компонента, называемых нуклеопоринами (нупами), и ранее ученые не знали, как они все соединяются вместе. Потребовалось сочетание подходов, чтобы собрать всеобъемлющую карту этих частей. Исследователи надеются, что эта новая молекулярная структура позволит провести новые исследования того, как ядерный портал функционирует в норме и как его дефекты приводят к таким заболеваниям, как рак.

Веха в исследовании

Поровый комплекс впервые возник, когда одноклеточные организмы — единственные живые существа в то время — приобрели специальные компартменты, содержащие органеллы, включая ядро, в котором хранится генетический код клетки.

Он служит не только каналом в ядро и из него, но и контрольно-пропускным пунктом, регулирующим то, что проходит внутрь и наружу. Например, генетические инструкции, транскрибированные в РНК, могут выходить, в то время как белки, необходимые внутри ядра, могут входить. Другие вещи, такие как вирусы, стремящиеся захватить клетку, блокируются.

Раут и Чейт начали картировать эту древнюю структуру более 20 лет назад, зная, что проект может растянуться на десятилетия, поскольку объект их изучения нелегко определить.

Более трети порового комплекса может перемещаться, и эта гибкость, наряду с огромным размером структуры и постоянным потоком трафика через неё, означала, что ни один отдельный подход к картированию не сработает. "В итоге мы использовали всё, что могли найти, объединили результаты и интегрировали их в единую структуру", — говорит Чейт.

Вместе с исследователями из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, Медицинской школы Бостонского университета и Медицинского колледжа Бейлора команда смогла определить тип и количество каждого нуклеопорина, их близость друг к другу, а также вес и форму всего комплекса.

Эти данные позволили им визуализировать анатомию многих отдельных компонентов поры и разместить их все внутри порового комплекса. Они обнаружили сложную кольцевую структуру, содержащую жесткие диагональные колонны и гибкие соединители, которые напоминают башни и тросы созданных человеком структур, таких как мост Золотые Ворота.

Полученная карта является прорывом в линии исследований с глубокой историей в Рокфеллеровском университете. Поровый комплекс впервые попал в поле зрения человека в 1950-х годах, когда ученый университета Майкл Уотсон наблюдал небольшие плотности, усеивающие поверхность ядерной оболочки. А примерно два десятилетия спустя лаборатория Гюнтера Блобеля, скончавшегося в прошлом месяце, была одной из первых, кто обнаружил отдельные нупы, а затем определил их структуру.

Новая отправная точка

В отношении порового комплекса у дрожжей есть значительное сходство с человеком. Когда команда сравнила свои данные со структурными данными по человеческим поровым комплексам, они обнаружили похожие элементы, расположенные несколько иначе. Это сходство предполагает, что дрожжевой поровый комплекс может быть полезен для исследований, актуальных для человека.

И таких исследований предстоит много. Дефекты в поровом комплексе и его компонентах связаны с множеством заболеваний, включая аутоиммунные расстройства и рак; в то же время вирусы эволюционировали, чтобы полностью обходить его. Но детали этих неисправностей и "слепых зон" часто остаются неясными.

Новая структура дрожжей может помочь. С её помощью команда обнаружила, что может картировать сайты, измененные при некоторых видах рака, — доказательство, по их словам, того, что дрожжевой поровый комплекс можно использовать для тестирования того, как такие факторы, как стресс, лекарства или мутации, изменяют человеческую структуру, помогая тем самым усилиям по пониманию и лечению болезней.