Квантовые точки показали, как проникнуть в клеточное ядро |
Актуальные темы - Нанотехнологии в медицине и биологии |
Автор: Administrator |
02.09.2010 22:13 |
Ученые Калифорнийского университета в Беркли (University of California – Berkeley) Карстен Вэйс (Karsten Weis), Ян Липхардт (Jan Liphardt) и их коллеги использовали флуоресцентные метки, называемые квантовыми точками, для определения того, какие молекулы попадают в ядро через его нанопоры, а какие остаются за его пределами. Полученные исследователями результаты могут помочь в разработке препаратов, предназначенных для взаимодействия с ДНК клетки, способных пройти через ядерные поры. Биофизики из UC Беркли с беспрецедентным разрешением проследили пути груза, проходящего через так называемый комплекс ядерной поры (nuclear pore complex - NPC), избирательное наноразмерное отверстие, контролирующее доступ к ядру клетки, и ответили на несколько ключевых вопросов о его функциях. Комплекс ядерной поры (ЯПК), большой комплекс белков, имеющий форму баскетбольной корзины, окаймленный нитями-"щупальцами", является входными воротами в ядро клетки, где хранится генетическая информация. Ядро любой клетки содержит примерно 2000 ЯПК, встроенных в его оболочку. Комплекс, имеющий размер около 50 нанометров, ответственен за транспорт веществ из и в ядро клетки. Он с большой точностью различает вещества, предотвращая тем самым перемешивание внутреннего содержимого ядра с содержимым остальной части клетки.
Комплекс ядерной поры (ЯПК) является воротами для перемещения всех молекул между цитоплазмой и ядром эукариотических клеток. (а) Больший груз (красный) требует транспортного рецептора (зеленый), чтобы пройти через пору. (b) Квантовая точка проходит через ЯПК. (Фото: Alan Lowe)
Некоторые вирусы, специфически связывающиеся с ЯПК для получения доступа к ядру, и нарушение транспорта между цитоплазмой и ядром влекут за собой развитие различных заболеваний, включая рак. Ученые создали модели ЯПК, но каким образом этот канал функционирует и достигает необходимой степени селективности, оставалось загадкой. Известно, что для прохода через ЯПК большие молекулы должны связаться, по крайней мере, с несколькими рецепторами импорта ядерных белков, или импортинами. При этом не ясно, приводит ли связывание с б ольшим количеством импортинов к увеличению скорости прохождения молекулы в ядро или, наоборот, к ее уменьшению. Кроме того, неизвестна и точная точка, у которой важнейшую роль играет белок-переносчик Ran, меняющий одну молекулу ГТФ (клеточного топлива, аналогичного хорошо известному АТФ) на молекулу ГДФ, которую несет большая молекула, входящая в ЯПК. Профессор молекулярной и клеточной биологии UC Беркли Карстен Вэйс, профессор физики UC Беркли Ян Липхардт и их коллеги провели новаторские эксперименты по визуализации этих процессов, которые разрешили все эти загадки. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Ранее ученые уже наблюдали перемещение малых молекул (несколько нанометров в диаметре), помеченных флуоресцентными метками, по каналу ЯПК. Но быстрый проход и слабый сигнал от этих молекул давал разбросанные и нечеткие данные. Лоу, Сигел, авторы статьи, и их коллеги использовали квантовые точки, имеющие диаметр около 20 нм (и поэтому более медленные, чем малые молекулы) и значительно более яркие, чем обычные флуорофоры. Исследователи связали квантовые точки с сигналами, распознаваемыми импортинами. С помощью микроскопа они наблюдали за тем, как сотни отдельных точек входили в канал, колебались вокруг него, выбрасывались из него и в некоторых случаях все-таки проходили через ЯПК в ядро. Исследователи записали видеоданные и отследили движение 849 квантовых точек с нанометровой точностью. Похожие на спагетти пути квантовых точек, наложенные друг на друга, показали, что частицы распадаются на три класса: «рано прерываемые», которые кратковременно находятся в канале и выбрасываются из него; «поздно прерываемые», которые попадают в канал рецептора и доходят до его внутреннего конца, прежде чем отправиться по обратному пути, и «успешные», которые двигаются примерно по тому же пути, что и предыдущие, но допускаются в ядро. Из беспорядочных зигзагов путей исследователи заключили, что квантовые точки, несомненно, скорее распределяются случайно, чем активно транспортируются внутрь ядра. А добавление дополнительного количества импортинов к покрытию квантовых точек укорачивало время транзита потому, что скорее могло повышать растворимость груза внутри ЯПК, чем взаимодействие с его внутренними стенками. Ученые получили особенно интересный результат, когда отказались от белка-переносчика Ran. Без Ran в смеси квантовые точки следовали в точности по тем же траекториям, что и в присутствии белка; разница же состояла в том, что практически ни одна квантовая точка не прошла через ЯПК в ядро. Учитывая данные по путям квантовых точек, ученые составили модель функционирования ЯПК. Большой груз сначала захватывается периферийными нитями комплекса ядерной поры. Затем он встречается с сужением, благодаря которому он как бы попадает в вестибюль. Далее, в определенных случаях, Ran обменивает молекулу ГДФ груза на молекулу ГТФ, и груз допускается в ядро. Необратимый характер носит только последний этап. «Это изящное исследование», - говорит Майкл Рут (Michael Rout), профессор клеточной и структурной биологии Университета Рокфеллера (Rockefeller University), специализирующийся на транспорте через ЯПК. «Если мы, в конце концов, поймем, как ЯПК функционирует на тончайшем уровне, мы, возможно, сможет создать фильтры, способные отбирать интересующие нас молекулы». Одним из главных достижений нового исследования является представление о том, что селективность ЯПК определяется скорее каскадом фильтров, каждый из которых корректирует транспорт грузов, чем одним высоко селективным этапом. Это объясняет, почему некоторые вещества легко попадают в ядро, в то время как другие не допускаются в него. Это открытие может иметь практическое клиническое применение, считают Липхардт и Вэйс. Оно может дать ученым возможность разработать методы эффективной доставки больших искусственных грузов, таких как препараты в виде конъюгированных полимеров, и контрастных агентов в ядро, содержащее геном.
По материалам QB3 researchers illuminate operation of molecular gateway to the cell nucleus
Аннотация к статье: Selectivity mechanism of the nuclear pore complex characterized by single cargo tracking
© «Квантовые точки показали, как проникнуть в клеточное ядро». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на сайт LifeSciencesToday.
Related Articles: |