Dynamisches Netzwerk von Proteinen in den Poren der Kernhülle blockiert gefährliche Eindringlinge, zeigt eine Studie

Winzige Poren im Zellkern spielen eine wesentliche Rolle für ein gesundes Altern, indem sie das Erbgut schützen und erhalten. Ein Team der Abteilung Theoretische Biophysik des Max-Planck-Instituts für Biophysik in Frankfurt am Main und der Arbeitsgruppe Synthetische Biophysik von Proteinstörungen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat buchstäblich eine Lücke im Verständnis ihrer Struktur und Funktion gefüllt Kernporen.

Die Wissenschaftler fanden heraus, wie intrinsisch ungeordnete Proteine ​​im Zentrum der Pore eine Spaghetti-ähnliche mobile Barriere bilden können, die für wichtige zelluläre Faktoren durchlässig ist, aber Viren oder andere Krankheitserreger blockiert.

Menschliche Zellen schirmen ihr genetisches Material im Zellkern ab, geschützt durch die Kernmembran. Als Schaltzentrale der Zelle muss der Zellkern in der Lage sein, wichtige Botenstoffe, Stoffwechselprodukte oder Proteine ​​mit dem Rest der Zelle auszutauschen. In die Kernmembran sind also etwa 2.000 Poren eingebaut, die jeweils aus etwa 1.000 Proteinen bestehen.

Seit Jahrzehnten faszinieren Forscher die dreidimensionale Struktur und Funktion dieser Kernporen, die als Wächter des Erbguts fungieren: Stoffe, die zur Steuerung der Zelle benötigt werden, dürfen passieren, Krankheitserreger oder andere DNA-schädigende Substanzen hingegen schon Einreise gesperrt. Die Kernporen können daher als molekulare Türsteher betrachtet werden, die jeweils viele tausend Besucher pro Sekunde kontrollieren. Nur wer eine Eintrittskarte hat, darf passieren.

Wie bewältigen die Kernporen diese gewaltige Aufgabe? Etwa 300 am Porengerüst befestigte Proteine ​​ragen wie Tentakel tief in die zentrale Öffnung hinein. Forscher wussten bisher nicht, wie diese Tentakel angeordnet sind und wie sie Eindringlinge abwehren. Denn diese Proteine ​​sind intrinsisch ungeordnet und haben keine definierte dreidimensionale Struktur. Sie sind flexibel und bewegen sich ständig – wie Spaghetti in kochendem Wasser.

Kombination von Mikroskopie und Computersimulationen

Da diese intrinsisch ungeordneten Proteine ​​(IDPs) ihre Struktur ständig verändern, ist es für Wissenschaftler schwierig, ihre dreidimensionale Architektur und ihre Funktion zu entschlüsseln. Die meisten experimentellen Techniken, mit denen Forscher Proteine ​​abbilden, funktionieren nur mit einer definierten 3D-Struktur. Bisher wurde der zentrale Bereich der Kernpore als Loch dargestellt, da die Organisation der Binnenvertriebenen in der Öffnung nicht festgestellt werden konnte.

Das Team um Gerhard Hummer, Direktor am Max-Planck-Institut für Biophysik, und Edward Lemke, Professor für Synthetische Biophysik an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Adjunct Director am Institut für Molekularbiologie Mainz (IMB) hat nun eine neuartige Kombination synthetischer Substanzen verwendet Biologie, multidimensionale Fluoreszenzmikroskopie und computergestützte Simulationen zur Untersuchung von Kernporen-IDPs in lebenden Zellen.

„Wir haben mit modernen Präzisionswerkzeugen mehrere Punkte der Spaghetti-ähnlichen Proteine ​​mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert, die wir mit Licht anregen und im Mikroskop sichtbar machen“, erklärt Lemke. „Aus den Leuchtmustern und der Dauer konnten wir ableiten, wie die Proteine ​​angeordnet sein müssen.“ Und Hummer ergänzt: „Dann haben wir mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen berechnet, wie die IDPs in der Pore räumlich organisiert sind, wie sie miteinander interagieren und wie sie sich bewegen. Erstmals konnten wir das Tor zur Schaltzentrale des Menschen visualisieren.“ Zellen.“

Dynamisches Proteinnetzwerk als Transportbarriere

Die Tentakel in der Transportpore verhalten sich völlig anders als bisher bekannt, weil sie miteinander und mit der Ladung interagieren. Sie bewegen sich permanent wie die erwähnten Spaghetti in kochendem Wasser. In der Mitte der Pore befindet sich also kein Loch, sondern ein Schild aus wackeligen, Spaghetti-ähnlichen Molekülen.

Viren oder Bakterien sind zu groß, um durch dieses Sieb zu gelangen. Andere große Zellmoleküle, die im Zellkern benötigt werden, können jedoch passieren, da sie sehr spezifische Signale übertragen. Solche Moleküle haben eine Eintrittskarte, Krankheitserreger meist nicht. „Durch die Entflechtung der Porenfüllung treten wir in eine neue Phase der Kerntransportforschung ein“, ergänzt Martin Beck, Mitarbeiter und Kollege am Max-Planck-Institut für Biophysik.

„Zu verstehen, wie die Poren Fracht transportieren oder blockieren, wird uns helfen, Fehler zu identifizieren. Manche Viren schaffen es schließlich trotz der Barriere, in den Zellkern einzudringen“, resümiert Hummer.

„Mit unserer Methodenkombination können wir IDPs nun genauer untersuchen, warum sie für bestimmte Zellfunktionen unverzichtbar sind, obwohl sie fehleranfällig sind. Tatsächlich kommen IDPs in fast allen Arten vor, obwohl sie das Risiko der Bildung bergen Aggregate im Alterungsprozess ab, was zu neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer führen kann“, sagt Lemke. Indem sie lernen, wie Binnenvertriebene funktionieren, wollen Forscher neue Medikamente oder Impfstoffe entwickeln, die Virusinfektionen verhindern und ein gesundes Altern unterstützen.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natur.