Клетки могут избежать «утечки данных», когда пропускают сигнальные белки в свои ядра благодаря причудливому биофизическому механизму, включающему размытие белков, подобных спагетти, как показали исследователи из Университета Рокфеллера и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна. Их исследование опубликовано в номере журнала Journal of Biological Chemistry от 23 марта.
В каждой человеческой клетке все схемы и инструкции тела хранятся в виде ДНК внутри ядра. Молекулы, которым необходимо перемещаться в ядро и из него - чтобы включать или выключать гены или получать информацию, - делают это через проходы, называемые комплексами ядерных пор (NPC). Трафик через эти NPC должен строго контролироваться, чтобы предотвратить захват ДНК вирусами или сбои в работе, как при раке.
Чтобы путешествовать через NPC, многие молекулы должны быть прикреплены к белкам, называемым транспортными факторами (TF), которые действуют как челноки, которые распознает NPC. Но NPC сталкивается с проблемой: он должен точно распознавать и привязываться к TF, чтобы пропускать их, не пропуская нежелательный трафик, но он должен пропускать их быстро - за миллисекунды - чтобы ячейка могла выполнять свои обязанности.. Белки, которые, как известно, точно связываются со специфическими молекулами, такими как антитела, обычно остаются привязанными к своим мишеням на период до нескольких месяцев.
"Как, черт возьми, у вас может быть такая специфичность, которую мы наблюдаем во взаимодействиях белок-белок, таких как антитела, и при этом такая скорость, которую мы наблюдаем с водой на тефлоновой сковороде?" - спросил Майкл Раут, профессор Рокфеллеровского университета, который был одним из ведущих авторов работы.
Чтобы исследовать этот парадокс, команда Раута в сотрудничестве с группой под руководством Дэвида Коуберна из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна изучила материал внутри ядерной поры. Апертура выстлана типом белков, известных как внутренне неупорядоченные полипептиды, - участками аминокислот без различимой, определенной формы.
«Материал, который наполняет NPC, это… как спагетти, очень длинные нити, сделанные из какого-то волнистого материала», - сказал Рё Хаяма, постдокторант, который был одним из первых авторов исследования.
Внутренне неупорядоченные полипептиды NPC называются фенилаланин-глициновыми нуклеопоринами, или FG Nups. Взаимодействия между FG Nups и TF являются ключом к функции привратника ядерной поры. Но то, как это взаимодействие работает в здоровых или больных клетках, до конца не изучено, в основном из-за проблем изучения белков с внутренним беспорядком.
«Обычные методы, такие как электронная микроскопия или кристаллография, могут дать только буквально размытое изображение, потому что сами белки размыты», - сказал Раут. «Они в беспорядке и двигаются».
Хаяма и соавтор Сэмюэл Спаркс провели термодинамические эксперименты, в которых они сконструировали FG Nups с разным количеством повторов FG и измерили, сколько тепла они выделяют при смешивании с белками транспортных факторов. Эти данные можно использовать для расчета того, как количество точек контакта между транспортным фактором и NPC влияет на то, насколько сильно и быстро они связаны друг с другом.
Они обнаружили, что ключ к такому специфическому, но мимолетному взаимодействию заключался во многих быстрых, временных контактах между транспортными факторами и FG Nups. Подобно нитям и крючкам липучки, каждая пара аминокислот области FG Nup очень слабо прикрепляется к транспортному фактору, в результате чего между двумя партнерами возникает сродство; но, в отличие от липучки, партнеры не были склеены дольше, чем это необходимо для прохождения транспортного фактора через ядерную пору.
«Я не могу придумать аналогии в обычной жизни, которая делает то, что делает это», - сказал Раут. «У вас есть это пятно (аминокислоты), которое появляется и исчезает (транспортный фактор) с необычайной скоростью».
Это «нечеткое» взаимодействие является необычным и, возможно, крайним случаем межбелковых взаимодействий в клетках, сказал Коуберн. Но понимание этого важно для контроля доступа к ядру, ключевой уязвимости в функционировании клетки. «При раке могут быть мутации в комплексе ядерных пор и факторах клеточного транспорта», - сказал Коуберн. «И точно так же известно, что многочисленные вирусы преднамеренно нацеливаются на комплекс ядерных пор и транспортные факторы и изменяют их, чтобы узурпировать (клетку) в своих целях. Что именно они делают и как они это делают, до сих пор неизвестно. неизвестно, потому что мы все еще пытаемся распутать нормальный механизм."