Het hoofdkwartier van een eukaryote cel is de kern, en de meeste informatie en instructies van de cel worden daar opgeslagen in de vorm van DNA (deoxyribonucleïnezuur). het DNA, die is verdraaid, gerold en gebundeld in een twee meter lange ketting, samen met eiwitmoleculen, vormt de chromatinevezel die in de kern ligt. Voor jaren, wetenschappers waren benieuwd hoe deze componenten zijn georganiseerd. Hoe is het mogelijk dat eiwitten die nodig zijn in biochemische reacties efficiënt bewegen in de kern vol DNA? Recente studies hebben het mysterie eindelijk opgelost. Bevindingen die het in detail beschrijven, werden gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters op 21 december, 2020.

Moleculen in een overvolle kern

De kern van elke cel verbergt een twee meter lange keten van een zeer verbazingwekkende en unieke molecule:DNA. Samen met histonen en verschillende verwante eiwitten, DNA bouwt een chromatineraamwerk op dat gevuld is met een stroperige vloeistof die een uitstekende moleculaire samenstellingsdiversiteit vertoont. Al decenia, de mobiliteit van moleculen in de kern was niet voldoende onderzocht, maar recente ontwikkelingen hebben deze status quo veranderd. Dankzij diepgaand onderzoek door een groep onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) onder leiding van professor Robert Hołyst, de mobiliteit van moleculen op lengteschalen van enkele tot tientallen nanometers in de kern wordt in detail gepresenteerd.

Een moleculaire supermarkt

Door zijn kleine formaat, men zou kunnen aannemen dat de kern een eenvoudige structuur heeft en een willekeurige molecuulverdeling. Dat is in geen geval het geval. De kern heeft een ongelooflijk complexe en verfijnde lay-out. Het DNA lijkt niet op een rommelige kluwen spaghetti; het is efficiënt verpakt in compacte structuren. Zelfs de viscositeit op nanoschaal van de kern bepaalt de mobiliteit van de individuele objecten binnenin. Om beter te visualiseren hoe goed georganiseerd dit allemaal is, de kern kan worden omschreven als een superstore. De chromatinevezels werken als planken, met een assortiment van noodzakelijke genetische informatie (d.w.z. DNA) net zoals de winkelrekken vol staan ​​met producten. Deze planken nemen niet de hele ruimte in beslag, maar eerder zijn ze gescheiden binnen een gangpadachtige afstand die als een kanaal werkt. De mensen die in specifieke patronen door de gangpaden lopen terwijl ze winkelen, kunnen worden vergeleken met de eiwitmoleculen die enigszins willekeurig binnen de kernkanalen bewegen volgens de regels van de Brownse beweging. Hoe druk het gangpad ook is, mensen vinden altijd een manier om langs elkaar heen te komen, enige afstand houden als ze gaan. De moleculen die moleculaire kanalen oversteken, doen hetzelfde zonder verkeersproblemen op hun weg. Hierdoor kan elk molecuul efficiënt reizen, het handhaven van de ordelijkheid van een supermarkt.

Viscositeitsimpact

De moleculen die in de eukaryote cellen aanwezig zijn, hebben verschillende groottes. Bijvoorbeeld, ionen zijn subnanometer groot, eiwitstralen zijn meestal enkele nanometers; de straal van een nucleosoom is ongeveer 5,5 nm, terwijl opgevouwen chromatinevezels een straal van ongeveer 15 nm hebben. Verder, gecondenseerde lussen van chromatine vormen compacte structuren van een hoger niveau en hebben een straal van ongeveer 150 nm. Om hun mobiliteit binnen de kern te begrijpen, Het team van professor Hołyst stelde voor om objecten ter grootte van nanometers te plaatsen die het hele spectrum van lengteschalen van natuurlijke componenten in de kern bestrijken. polymeren, eiwitten, en nanodeeltjes met een straal van 1,3 tot 86 nm in werden overwogen.

Om deze intrigerende organisatie op nanoschaalniveau te zien, de mobiliteit van specifieke moleculen werd bestudeerd met behulp van niet-invasieve technieken zoals fluorescentiecorrelatiespectroscopie (FCS) en rasterbeeldcorrelatiespectroscopie (RICS). Dankzij stoffen zoals het GFP (groen fluorescerend eiwit) of de op rhodamine gebaseerde nanodeeltjes in nanomolaire concentratie, het was mogelijk om de mobiliteit van bepaalde moleculen te observeren en de viscositeit van het nucleoplasma te bepalen zonder enige verstoring van de cellulaire activiteit te veroorzaken. Met deze technieken kunnen wetenschappers zelfs de kleinste veranderingen op moleculair niveau onderzoeken. De mobiliteit van grote nanodeeltjes was maar liefst 6 keer verminderd in vergelijking met de diffusie in een waterig medium.

Echter, de typische diffusie van moleculen ter grootte van een eiwit werd slechts 2-3 keer verminderd. De mobiliteit neemt drastisch af wanneer de straal van geïnjecteerde objecten groter is dan 20, meer betekenis voor schattingen van de diffusiecoëfficiënt, het is mogelijk om de beweging en interactie van moleculen die plaatsvinden tussen bepaalde objecten in de kernkanalen en binnen de gepakte structuur in de kern nader te bekijken. Deze metingen breiden ons huidige begrip van de structuur van de kern uit. Een goed begrip van de complexiteit van de kanalen in kernen is cruciaal omdat het direct bijdraagt ​​aan onze kennis over hoe grote biostructuren, misschien inclusief de geneeskunde van de nabije toekomst, binnen de cel worden getransporteerd.

De eerste auteur, dr. Grzegorz Bubak merkt op, "Onze experimenten onthulden dat de eukaryote celkern wordt gepercoleerd door ~ 150 nm brede interchromosomale kanalen gevuld met de waterige verdunde eiwitoplossing met een lage viscositeit."

De onderzoeken die de drukte in de celkernen kwantificeren, onthullen dat de meeste moleculen vrij door deze complexe structuur kunnen gaan. Op basis van experimenten ondersteund door theoretische modellen, het was mogelijk om de breedte van kanalen (~ 150 nm) tussen de chromatinestructuur te schatten. De kernkanalen kunnen maar liefst 34% van het volume van de kernen uitmaken, wat ongeveer 240 fL is. Als ze smaller waren, de chromatinevezels zouden meer verspreid zijn, waardoor de efficiënte beweging van de moleculen naar binnen onmogelijk wordt. Het is fascinerend dat de kern zulke grote hoeveelheden DNA en andere chemische elementen kan bevatten zonder de migratie van de moleculen te verstoren. Dit is allemaal te danken aan de overzichtelijke chromatinevezels gemaakt door DNA met structurele eiwitten die de dubbele helix zijn vorm geven. De mobiliteit van bepaalde chemische elementen door de biologische vloeistof in moleculaire kanalen is essentieel in veel processen, zoals het creëren van specifieke moleculen en het vormen van nieuwe eiwitcomplexstructuren.

"Deze resultaten kunnen van groot belang zijn bij het ontwerpen van biologische geneesmiddelen zoals therapeutische eiwitten, enzymen, en monoklonale antilichamen, die de hydrodynamische stralen groter kunnen hebben dan conventionele chemische geneesmiddelen op basis van synthetische verbindingen, " concludeert dr. Bubak

Als resultaat van deze onderzoeken, de mobiliteit van de moleculen in de nucleaire kanalen wordt nu voor het eerst in detail beschreven en goed begrepen. Dankzij het onderzoek dat in dit werk wordt gepresenteerd, we weten nu hoe de chromatinevezels de organisatie van moleculen regelen, het onthullen van de intrigerende moleculaire machinerie die diep in de kern verborgen is. We zijn nu een stap dichter bij de ontwikkeling van therapeutische middelen die effectief naar de kern kunnen worden getransporteerd.