На страже между ядром клетки и ее основной камерой, называемой цитоплазмой, стоят тысячи гигантских белковых структур, называемых комплексами ядерных пор или NPC. NPC подобны вышибалам ядра клетки, тщательно охраняющим именно то, что входит и выходит. Каждая структура содержит около 1000 белковых молекул, что делает NPC одними из самых больших белковых комплексов в нашем организме. Одним из наиболее заметных клиентов NPC является класс молекул, известных как матричные РНК или мРНК. Это мессенджеры, которые несут генетические инструкции из ядра в цитоплазму, где они затем транслируются в белки.
Но то, как NPC транспортирует мРНК из ядра, до сих пор остается загадкой.
«МРНК - это один из самых больших грузов, переносимых через NPC, и весь процесс происходит всего за доли секунды», - говорит Андре Хольц, профессор химии Калифорнийского технологического института, Медицинского исследовательского института наследия (HMRI). Исследователь и научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI). «Как это работает - одна из величайших нерешенных проблем в биологии».
NPC связаны с несколькими заболеваниями. Мутации белков в комплексе связывают с заболеваниями моторных нейронов, такими как боковой амиотрофический склероз (БАС), и известно, что люди с болезнью Хантингтона имеют дефекты в функции своих NPC.
В новом исследовании, опубликованном в выпуске журнала Nature Communications от 13 июня, Хёльц и его группа, возглавляемая Дэниелом Лином (доктор философии '17), бывшим аспирантом Калифорнийского технологического института, ныне работающим в Институте биомедицинских исследований Уайтхеда в Массачусетском технологическом институте, и Сара Кай, студентка бакалавриата Калифорнийского технологического института, сообщает о первом в атомном масштабе взгляде на специфические компоненты NPC человека, ответственные за отбрасывание мРНК в цитоплазму. Чтобы мРНК могла транспортироваться через NPC, она должна быть помечена фактором ядерного экспорта, типом небольшого белка. Этот тег похож на билет, который позволяет мРНК войти в центральный транспортный канал NPC. Как только мРНК достигает цитоплазматической стороны, она должна сдать билет, иначе мРНК может вернуться обратно в ядро, и белки, которые она кодирует, не будут созданы.
Посредством серии экспериментов, включающих рентгеновскую кристаллографию, биохимию, энзимологию и другие методологии, исследователи впервые смогли показать, как этот процесс расмаркировки молекул мРНК работает в клетках человека.
«Как будто раньше у нас были снимки, а теперь у нас есть фильм, показывающий, что именно происходит на молекулярном уровне, когда мРНК попадают в цитоплазму клетки», - говорит Лин.
Новые выводы команды стали возможными благодаря получению ряда кристаллических структур нескольких ключевых белковых компонентов NPC человека. Один из этих компонентов называется Gle1. Трехмерная структура этого белка была получена ранее у дрожжей, но сделать это для его человеческого варианта оставалось сложной задачей. Изучая биохимические свойства дрожжевого Gle1, исследователи смогли выяснить, что для стабилизации Gle1 необходим другой белок, называемый Nup42. Зная это, команда впервые смогла очистить человеческий Gle1 из клеток в больших количествах, а затем, используя канал луча Молекулярной обсерватории Калифорнийского технологического института в Стэнфордском источнике синхротронного излучения, получить его кристаллическую структуру..
"Даже несмотря на миллиарды лет эволюции между дрожжами и людьми, некоторые аспекты нашего биомеханизма остаются неизменными", - говорит Лин.
Благодаря способности очищать человеческий Gle1 исследователи приступили к изучению того, как мутации влияют на его структуру. Они изучили несколько специфических мутаций Gle1, которые, как известно, связаны с заболеванием двигательных нейронов, называемым синдромом врожденной летальной контрактуры 1 (LCCS1), и обнаружили, что мутированные версии белка не были столь стабильны.
«Gle1 необходим для нормального функционирования жизни, - говорит Хёльц, - поэтому любые мутации, которые делают его менее стабильным, вызовут проблемы».
Затем исследователи изучили структуру Gle1, связанного с белком под названием DDX19, который отвечает за снятие меток с молекул мРНК после того, как они проходят через NPC. Gle1 необходим для активации DDX19, и до сих пор считалось, что небольшая молекула, называемая инозитолгексафосфатом (IP6), действует как связующее звено между Gle1 и DDX19, позволяя происходить активации.
«Мы обнаружили, что IP6 не нужен людям, и это стало неожиданностью, потому что он необходим дрожжам, а ранее считалось, что зависимость от IP6 встречается у всех видов», - говорит Кай.«Хотя между дрожжевым и человеческим белками есть некоторое сходство, между ними есть и существенные различия».
Более того, новое исследование на атомарном уровне показывает, как именно работает удаление меток из мРНК. Этот вид структурной информации может быть использован в будущем для помощи в разработке терапевтических препаратов для лечения заболеваний двигательных нейронов.
Хёльц говорит, что Лин и Цай действительно превзошли ожидания в отношении этого исследования. «Они хотели открыть для себя что-то новое, и в этом проекте они сделали все возможное, - говорит он. «Они сделали это возможным. Это момент Калифорнийского технологического института».