Квантовые точки показали, как проникнуть в клеточное ядро

-->

Ученые Университета Калифорнии – Беркли (University of California – Berkeley) Карстен Вэйс (Karsten Weis), Ян Липхардт (Jan Liphardt) и их коллеги использовали флуоресцентные метки, называемые квантовыми точками, для определения того, какие молекулы попадают в ядро через его нанопоры, а какие остаются за его пределами. Полученные исследователями результаты могут помочь в разработке препаратов, предназначенных для взаимодействия с ДНК клетки, способных пройти через ядерные поры.

2_20.jpg Комплекс ядерной поры (ЯПК) является воротами
для перемещения всех молекул между цитоплазмой
и ядром эукариотических клеток. (а) Больший груз
(красный) требует транспортного рецептора (зеленый),
чтобы пройти через пору. (b) Квантовая точка проходит
через ЯПК. (Image: Alan Lowe)

Биофизики из UC Беркли с беспрецедентным разрешением проследили пути груза, проходящего через так называемый комплекс ядерной поры (nuclear pore complex – NPC), избирательное наноразмерное отверстие, контролирующее доступ к ядру клетки, и ответили на несколько ключевых вопросов о его функциях.

Комплекс ядерной поры (ЯПК), большой комплекс белков, имеющий форму баскетбольной корзины, окаймленный нитями-«щупальцами», является входными воротами в ядро клетки, где хранится генетическая информация. Ядро любой клетки содержит примерно 2000 ЯПК, встроенных в его оболочку. Комплекс, имеющий размер около 50 нанометров, ответственен за транспорт веществ из и в ядро клетки. Он с большой точностью различает вещества, предотвращая тем самым перемешивание внутреннего содержимого ядра с содержимым остальной части клетки.

Некоторые вирусы, специфически связывающиеся с ЯПК для получения доступа к ядру, и нарушение транспорта между цитоплазмой и ядром влекут за собой развитие различных заболеваний, включая рак.

Ученые создали модели ЯПК, но каким образом этот канал функционирует и достигает необходимой степени селективности, оставалось загадкой. Известно, что для прохода через ЯПК большие молекулы должны связаться, по крайней мере, с несколькими рецепторами импорта ядерных белков, или импортинами. При этом не ясно, приводит ли связывание с большим количеством импортинов к увеличению скорости прохождения молекулы в ядро или, наоборот, к ее уменьшению. Кроме того, неизвестна и точная точка, у которой важнейшую роль играет белок-переносчик Ran, меняющий одну молекулу ГТФ (клеточного топлива, аналогичного хорошо известному АТФ) на молекулу ГДФ, которую несет большая молекула, входящая в ЯПК.

Профессор молекулярной и клеточной биологии UC Беркли Карстен Вэйс, профессор физики UC Беркли Ян Липхардт и их коллеги провели новаторские эксперименты по визуализации этих процессов, которые разрешили все эти загадки.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Ранее ученые уже наблюдали перемещение малых молекул (несколько нанометров в диаметре), помеченных флуоресцентными метками, по каналу ЯПК. Но быстрый проход и слабый сигнал от этих молекул давал разбросанные и нечеткие данные. Лоу, Сигел, авторы статьи, и их коллеги использовали квантовые точки, имеющие диаметр около 20 нм (и поэтому более медленные, чем малые молекулы) и значительно более яркие, чем обычные флуорофоры. Исследователи связали квантовые точки с сигналами, распознаваемыми импортинами. С помощью микроскопа они наблюдали за тем, как сотни отдельных точек входили в канал, колебались вокруг него, выбрасывались из него и в некоторых случаях все-таки проходили через ЯПК в ядро. Исследователи записали видеоданные и отследили движение 849 квантовых точек с нанометровой точностью.

Похожие на спагетти пути квантовых точек, наложенные друг на друга, показали, что частицы распадаются на три класса: «рано прерываемые», которые кратковременно находятся в канале и выбрасываются из него; «поздно прерываемые», которые попадают в канал рецептора и доходят до его внутреннего конца, прежде чем отправиться по обратному пути, и «успешные», которые двигаются примерно по тому же пути, что и предыдущие, но допускаются в ядро.

Из беспорядочных зигзагов путей исследователи заключили, что квантовые точки, несомненно, скорее распределяются случайно, чем активно транспортируются внутрь ядра. А добавление дополнительного количества импортинов к покрытию квантовых точек укорачивало время транзита потому, что скорее могло повышать растворимость груза внутри ЯПК, чем взаимодействие с его внутренними стенками.

Ученые получили особенно интересный результат, когда отказались от белка-переносчика Ran. Без Ran в смеси квантовые точки следовали в точности по тем же траекториям, что и в присутствии белка; разница же состояла в том, что практически ни одна квантовая точка не прошла через ЯПК в ядро.

Учитывая данные по путям квантовых точек, ученые составили модель функционирования ЯПК. Большой груз сначала захватывается периферийными нитями комплекса ядерной поры. Затем он встречается с сужением, благодаря которому он как бы попадает в вестибюль. Далее, в определенных случаях, Ran обменивает молекулу ГДФ груза на молекулу ГТФ, и груз допускается в ядро. Необратимый характер носит только последний этап.

«Это изящное исследование», – говорит Майкл Рут (Michael Rout), профессор клеточной и структурной биологии Университета Рокфеллера (Rockefeller University), специализирующийся на транспорте через ЯПК. «Если мы, в конце концов, поймем, как ЯПК функционирует на тончайшем уровне, мы, возможно, сможет создать фильтры, способные отбирать интересующие нас молекулы».

Одним из главных достижений нового исследования является представление о том, что селективность ЯПК определяется скорее каскадом фильтров, каждый из которых корректирует транспорт грузов, чем одним высоко селективным этапом. Это объясняет, почему некоторые вещества легко попадают в ядро, в то время как другие не допускаются в него. Это открытие может иметь практическое клиническое применение, считают Липхардт и Вэйс. Оно может дать ученым возможность разработать методы эффективной доставки больших искусственных грузов, таких как препараты в виде конъюгированных полимеров, и контрастных агентов в ядро, содержащее геном.

Аннотация к статье: Selectivity mechanism of the nuclear pore complex characterized by single cargo tracking

Источник: LifeSciencesToday

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (3 votes)
Источник(и):

http://www.lifesciencestoday.ru/…cell-nucleus

http://qb3.org/…cell-nucleus