Die Struktur eines molekularen Giganten enträtseln

Die Kombination von AlphaFold2 mit experimentellen und Computertechniken hat Wissenschaftlern dabei geholfen, die Architektur des menschlichen Kernporenkomplexes detaillierter als je zuvor zu verstehen.

Der menschliche Kernporenkomplex (NPC) ist ein wahrer molekularer Riese, der auf der Membran sitzt, die den Zellkern vom Zytoplasma trennt. Es hat die Form eines Donuts und fungiert sowohl als Tor als auch als Kontrollpunkt für Moleküle, die zwischen dem Zytoplasma und dem Zellkern wandern. Dadurch erleichtert der NPC grundlegende Prozesse in der Zelle, wie Genexpression und Translation. Das Kerntransportsystem spielt auch bei mehreren Krankheiten eine Rolle, darunter neurodegenerative Erkrankungen, Krebs und Virusinfektionen.

Wie ist die Struktur des NPCs? Wie werden seine Proteine ​​zusammengeklebt? Wie haftet es an der Kernmembran? Diese und andere Fragen wurden nun von der Kosinski-Gruppe am EMBL Hamburg und Center for Structural Systems Biology (CSSB), den Beck- und Hummer-Laboren am Max-Planck-Institut für Biophysik und Mitarbeitern beantwortet. Sie erstellten das bisher vollständigste Modell des menschlichen NPC, indem sie das Proteinstrukturvorhersageprogramm AlphaFold2 mit Techniken wie Kryo-Elektronentomographie, Einzelpartikel-Kryo-EM und integrativer Modellierung kombinierten.

Für Strukturbiologen ist der menschliche NPC ein herausforderndes, aber aufregendes 3D-Puzzle, bei dem etwa 30 verschiedene Proteine ​​jeweils in mehreren Kopien vorhanden sind. Das sind rund 1000 Puzzleteile, die mit umgebenden flexiblen Teilen einen runden Kern bilden. Bisher deckten die genauesten Modelle des menschlichen NPC-Kerns nur 46 % der Struktur ab. Aber jetzt haben Wissenschaftler, aufbauend auf zwei Jahrzehnten früherer Forschung auf diesem Gebiet, ein neues Modell der NPC-Struktur erstellt, das mehr als 90 % seines Kerns abdeckt.

Während zuvor vorgeschlagene NPC-Modelle Lücken aufwiesen und einige Proteine ​​nur in Fragmenten enthielten, beseitigt das neue Modell einen Großteil dieser Mehrdeutigkeit.

„Es ist, als würde man ein elektronisches Gerät zerlegen und wieder zusammenbauen. Es bleiben immer ein paar Schrauben übrig, und man weiß einfach nicht, wo sie sein sollen“, sagte EMBL-Gruppenleiter Jan Kosinski, der die Untersuchung mitleitete. „Endlich haben wir es geschafft, die meisten von ihnen unterzubringen, und jetzt wissen wir genau, wo sie sind, was sie tun und wie.“

Experiment und künstliche Intelligenz arbeiten zusammen

Wie haben die Wissenschaftler das erreicht? Der Schlüssel bestand darin, mehrere experimentelle und rechnerische Methoden zu kombinieren. Dies ermöglichte den Wissenschaftlern, den NPC in verschiedenen Maßstäben und Detailstufen zu visualisieren.

Um beispielsweise die Gesamtsilhouette des NPCs zu modellieren, verwendeten die Forscher Kryo-Elektronentomographie. Mit dieser Technik konnten sie den NPC in seiner zellulären Umgebung und nicht isoliert beobachten. Weitere Details zu den einzelnen Proteinbausteinen enthüllte AlphaFold2, ein auf künstlicher Intelligenz basierendes Programm zur Vorhersage von Proteinstrukturen der Firma DeepMind.

„AlphaFold2 war ein Durchbruch für uns“, sagte Agnieszka Obarska-Kosińska, Postdoc, die die molekulare Modellierung durchführte. „Vorher kannten wir die Struktur vieler Proteine ​​im NPC nicht. Sie können kein Puzzle zusammensetzen, wenn Sie nicht wissen, wie die Teile aussehen. Aber AlphaFold2 in Kombination mit anderen Ansätzen ermöglichte es uns, diese Formen vorherzusagen.“

Um das Bild noch weiter zu verfeinern, verwendeten die Forscher ColabFold, eine Version von AlphaFold2, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft modifiziert wurde, um Wechselwirkungen zwischen Proteinen zu modellieren. Dadurch konnten sie visualisieren, wie sich die verschiedenen Puzzleteile zu kleineren Unterkomplexen kombinieren und wie diese Unterkomplexe dann zusammengeklebt werden, um den NPC zu bilden.

Schließlich fügten sie alle Teile mit der zuvor von der Kosinski-Gruppe entwickelten Software Assembline zusammen und validierten sie anhand experimenteller Daten.

Das resultierende Modell war so vollständig und detailliert, dass es den Forschern ermöglichte, zeitaufgelöste molekulare Simulationen zu erstellen, die erklären, wie die NPC-Proteine ​​und die Kernmembran interagieren, um eine stabile Pore zu schaffen, und wie sie auf mechanische Signale reagiert.

Zukünftige Richtungen

Diese Arbeit war ein großer Sprung nach vorne für die NPC-Forschung, aber es gibt noch viel zu erforschen.

„Diese Arbeit ist ein Beispiel dafür, wie die Strukturbiologie in Zukunft die Zellbiologie umfassen wird, um atomare Modelle von immer größeren Ansammlungen von Molekülen zu erstellen, die in verschiedenen Teilen der Zelle unterschiedliche Funktionen erfüllen“, sagte Martin Beck. Gerhard Hummer stimmt zu: „Wir können uns jetzt vorstellen, ein vollständiges dynamisches Modell des NPC zu bauen und den Atomtransport bis ins atomare Detail zu simulieren.“

Die Kosinski-Gruppe wird ihre zukünftige Arbeit auf die Entwicklung automatischer Methoden zur Integration von Struktur- und Mikroskopiedaten unter Verwendung von AlphaFold2 und ihrer eigenen Software Assembline richten. Sie planen, diese Ansätze auf die Untersuchung molekularer Prozesse anzuwenden, die Virusinfektionen antreiben.

Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft.