Квантовые точки отследили, кто попадает в ядро клетки

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли использовали флуоресцентные зонды — квантовые точки — чтобы определить, какие молекулы проникают в ядро через его нанопоры, а какие выбрасываются обратно. Это может помочь в разработке лекарств, способных проходить через поры и нацеливаться на ДНК клетки.

Биофизики из QB3 с беспрецедентным разрешением проследили пути грузов, движущихся через ядерный поровый комплекс (NPC) — селективную наноразмерную апертуру, контролирующую доступ к ядру клетки, и ответили на ключевые вопросы о его работе.

NPC, крупная белковая структура, похожая на баскетбольную сетку с щупальцами, является воротами в клеточное ядро, где хранится генетическая информация. Каждое ядро содержит около 2000 NPC, встроенных в ядерную оболочку. NPC (шириной около 50 нанометров) отвечает за весь транспорт в ядро и из него. Чтобы предотвратить смешивание содержимого цитоплазмы с ядерным, NPC с высокой точностью различает грузы.

Несколько вирусов используют NPC для проникновения в ядро, а дисфункциональный транспорт между цитоплазмой и ядром связан с рядом заболеваний, включая рак.

Хотя модели NPC существуют, принцип работы и механизм селективности оставались загадкой. Известно, что для прохода через NPC крупные молекулы должны связать как минимум несколько рецепторов — импортинов. Однако было неясно, ускоряет или замедляет проход связывание большего числа импортинов. Также оставался неясным точный момент, когда ключевую роль играет белок-переносчик Ran, заменяющий одну молекулу GDP (которую крупная молекула приносит с собой при входе в NPC) на одну молекулу GTP (клеточное "топливо", аналог более известного ATP).

Профессор молекулярной и клеточной биологии Карстен Вайс и профессор физики Ян Лифхардт с коллегами провели эксперименты по продвинутой визуализации, которые разрешили эти вопросы. Исследование было опубликовано 1 сентября в журнале Nature.

Ранее ученые наблюдали движение через NPC мелких молекул (несколько нм в диаметре), помеченных флуоресцентными метками. Однако их быстрый транзит и слабый сигнал давали скудные и нечеткие данные. В новой работе использовались квантовые точки диаметром около 20 нм — они медленнее мелких молекул и намного ярче обычных флуорофоров. Исследователи покрыли квантовые точки сигналами, узнаваемыми импортинами. С помощью микроскопической техники, позволяющей видеть тонкий плоский срез живых клеток, они наблюдали за сотнями отдельных точек, которые входили в NPC, двигались внутри, выбрасывались, а в некоторых случаях — проходили через них. Были записаны видеоданные и отслежено движение 849 квантовых точек с нанометровой точностью.

Наложенные друг на друга пути движения точек выявили три класса частиц:

• «Ранние отказы» — ненадолго задерживались и отскакивали.
• «Поздние отказы» — проникали внутрь, доходили до внутреннего конца поры, а затем выходили тем же путем.
• «Успешные» — следовали по тем же путям, что и «поздние отказы», но получали доступ в ядро.

По хаотичному движению исследователи заключили, что точки действительно диффундируют случайным образом, а не транспортируются активно. Добавление большего числа импортинов на поверхность точек сокращало время транзита, что говорит о том, что импортины делают входящий груз более растворимым внутри NPC, а не связываются с его внутренними стенками.

Особенно интересный результат был получен, когда из эксперимента убрали белок Ran. Без Ran квантовые точки следовали точно по тем же путям, но практически ни одна не проходила через NPC.

На основе данных о путях авторы предложили модель работы NPC. Крупный груз сначала захватывается филаментной «бахромой» NPC. Затем он сталкивается с сужением, через которое может попасть в своего рода «прихожую». После этого, в определенных случаях, Ran заменяет GDP груза на GTP, и тот попадает в ядро. Только этот финальный шаг является необратимым.

«Это элегантное исследование, — говорит профессор клеточной и структурной биологии Майкл Раут. — Если мы в конечном итоге поймем, как NPC работает на самом тонком уровне, мы, возможно, сможем создавать фильтры для отбора интересующих молекул».

Одно из главных новых открытий — селективность NPC, по-видимому, является результатом каскада фильтров, каждый из которых предпочитает правильные грузы, а не одного высокоселективного шага. Это помогает объяснить, почему одни вещества легко попадают в ядро, а другие исключаются. Это открытие может иметь практические клинические последствия, отмечают Лифхардт и Вайс. Оно может позволить ученым разработать методы эффективной доставки крупных искусственных грузов, таких как конъюгаты лекарство-полимер и контрастные агенты, в ядро, содержащее геном.