(PhysOrg.com) -- UC Berkeley-onderzoekers Karsten Weis, Jan Liphardt, en collega's hebben fluorescerende sondes, kwantumstippen genaamd, gebruikt om te bepalen welke moleculen via de nanoporiën in de kern komen en welke er weer uit worden geschopt. Hun bevindingen kunnen helpen bij het ontwerpen van medicijnen die door de poriën kunnen dringen en zich kunnen richten op het DNA van een cel.

QB3-biofysici hebben met ongekende resolutie de paden getraceerd van ladingen die door het nucleaire poriecomplex (NPC) bewegen, een selectieve opening op nanoschaal die de toegang tot de celkern regelt, en beantwoordde een aantal belangrijke vragen over de functie ervan.

de NPC, een grote eiwitconstructie in de vorm van een basketbalnet omzoomd met tentakels, is de poort naar de celkern, waar genetische informatie wordt opgeslagen. Elke celkern bevat ongeveer 2, 000 NPC's, ingebed in de nucleaire envelop. De NPC (die ongeveer 50 nanometer breed is) is verantwoordelijk voor al het transport in en uit de kern. Om te voorkomen dat de inhoud van de rest van het binnenste van de cel zich vermengt met die van de kern, de NPC maakt met grote precisie onderscheid tussen ladingen.

Verschillende virussen richten zich op de NPC om toegang te krijgen tot de kern, en disfunctioneel transport tussen het cytoplasma en de kern is betrokken bij meerdere ziekten, waaronder kanker.

Wetenschappers hebben modellen gemaakt voor de NPC, maar hoe dit kanaal werkt en zijn selectiviteit bereikt, is een mysterie gebleven. Het is bekend dat, om door de NPC te komen, grote moleculen moeten minstens een paar receptoren binden die "importins" worden genoemd; of het binden van meer importins snelheden of vertraagt ​​de passage van een molecuul is onduidelijk. Dus, te, heeft het exacte punt waarop een dragereiwit genaamd "Ran" een cruciale rol speelt, vervanging van één molecuul GTP (een cellulaire brandstof, een analoog van het bekendere ATP) voor een van GDP dat het grote molecuul met zich meebrengt wanneer het de NPC binnengaat.

Karsten Weis, een UC Berkeley hoogleraar moleculaire en celbiologie, Jan Liphardt, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde, en collega's voerden geavanceerde beeldvormingsexperimenten uit die deze problemen oplosten. (Weis en Liphardt zijn lid van QB3.) Het onderzoek is op 1 september gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , in een paper waarop Berkeley-postdoc Alan Lowe en afgestudeerde student Jake Siegel gezamenlijke eerste auteurs waren.

Eerder, wetenschappers hadden de beweging van kleine moleculen (met een diameter van enkele nm) waargenomen, gelabeld met fluorescerende labels, via de NPC. Maar de snelle doorvoer en het zwakke signaal van deze moleculen resulteerden in schaarse, vage gegevens. Lowe, Siegel, et al. gebruikte "kwantumdots", die ongeveer 20 nm in diameter zijn - en dus langzamer dan kleinere moleculen - en veel helderder dan conventionele fluoroforen. De onderzoekers bedekten de quantum dots met signalen die door importins werden herkend. Met behulp van een microscopische techniek waarmee ze een platte, dunne visuele plak door levende cellen, ze keken naar honderden individuele stippen die binnenkwamen, binnen rommelen, uitgeworpen worden, en in sommige gevallen toegelaten via, NPC's. De onderzoekers namen videogegevens op en volgden de beweging van 849 kwantumdots met nanometerprecisie.

De spaghetti-achtige paden van de kwantumstippen, over elkaar heen gelegd, onthulde dat de deeltjes in drie klassen vielen:"vroege abortus, ” die kort werden opgesloten en vervolgens naar buiten werden gestuit; “laat afgebroken, ” die naar binnen dwaalde en naar het binnenste uiteinde van de porie kronkelde voordat ze de weg verlieten waar ze vandaan kwamen; en “succes, ” die vrijwel dezelfde paden volgden als de late abortussen, maar die toegang kregen.

Van de grillige kronkels van de paden, concludeerden de onderzoekers dat de kwantumstippen inderdaad willekeurig verspreidden, in plaats van actief te worden vervoerd. En het toevoegen van meer importins aan de coating van de stippen verkortte de transittijd, wat suggereert dat importins binnenkomende lading meer oplosbaar maken in de NPC in plaats van zich te binden aan binnenmuren.

Een bijzonder interessant resultaat vonden de onderzoekers toen ze het dragereiwit Ran achterhielden van het experiment. Zonder Ran in de mix, de kwantumstippen volgden precies dezelfde reeks paden als toen Ran aanwezig was, behalve dat vrijwel geen door de NPC ging.

Gezien hun padgegevens, de auteurs trokken een model voor de werking van de NPC. Grote lading wordt aanvankelijk opgevangen door de filamentrand van de NPC. Het stuit dan op een vernauwing, waardoor het een soort voorkamer kan binnengaan. Vervolgens, in bepaalde gevallen, Ran ruilt het BBP van de lading in voor een GTP en wordt toegelaten tot de kern. Alleen de laatste stap is onomkeerbaar.

"Het is een elegante studie, " zegt Michael Rout, een professor in cellulaire en structurele biologie aan de Rockefeller University, wiens specialiteit NPC-transport is. "Als we uiteindelijk begrijpen hoe de NPC op het meest subtiele niveau werkt, we zouden misschien filters kunnen bouwen om interessante moleculen te selecteren."

Inderdaad, een van de belangrijkste nieuwe inzichten is dat de selectiviteit van de NPC het resultaat lijkt te zijn van een cascade van filters, die elk de voorkeur geven aan correcte ladingen, in plaats van slechts één zeer selectieve stap. Dit helpt verklaren waarom sommige dingen gemakkelijk in de kern kunnen komen en andere dingen worden uitgesloten. Deze ontdekking kan enkele zeer praktische klinische implicaties hebben, Liphardt en Weis zeggen. Het kan wetenschappers in staat stellen technieken te ontwikkelen om op efficiënte wijze grote door de mens gemaakte vrachten af ​​te leveren, zoals geneesmiddel-polymeerconjugaten en contrastmiddelen, naar de kern, die het genoom bevat.