研究表明核包膜孔隙中的蛋白质动态网络阻止了危险的入侵者

细胞核中的微小孔隙通过保护和保存遗传物质对健康老龄化起着至关重要的作用。来自美因河畔法兰克福马克斯普朗克生物物理研究所理论生物物理系和美因茨约翰内斯古腾堡大学(JGU)蛋白质紊乱合成生物物理学小组的一个团队填补了对这些核孔结构和功能的理解空白。

科学家们发现，孔隙中心的内在无序蛋白质如何形成类似意大利面条的移动屏障，该屏障可渗透重要的细胞因子，但会阻止病毒或其他病原体。

人体细胞在细胞核内屏蔽其遗传物质，受到核膜的保护。作为细胞的控制中心，细胞核必须能够与细胞的其余部分交换重要的信使分子、代谢物或蛋白质。因此，核膜中内置了大约2，000个孔，每个孔由约1，000种蛋白质组成。

几十年来，研究人员一直对这些核孔的三维结构和功能着迷，这些核孔充当基因组的守护者：控制细胞所需的物质被允许通过，而病原体或其他破坏DNA的物质被阻止进入。因此，核孔可以被认为是分子保镖，每个弹跳每秒检查数千名访客。只有持有门票的人才可以通过。

核孔如何管理这项艰巨的任务?附着在孔支架上的大约300种蛋白质像触手一样深入中央开口。到目前为止，研究人员还不知道这些触手是如何排列的，以及它们是如何击退入侵者的。这是因为这些蛋白质本质上是无序的，缺乏明确的三维结构。它们灵活且不断移动——就像沸水中的意大利面一样。

显微镜和计算机模拟的结合

由于这些固有的无序蛋白质(IDPs)不断改变其结构，科学家很难破译它们的三维结构和功能。研究人员用来对蛋白质进行成像的大多数实验技术仅适用于定义的3D结构。到目前为止，核孔的中心区域一直被表示为一个洞，因为无法确定开口中国内流离失所者的组织。

由马克斯普朗克生物物理研究所所长GerhardHummer和美因茨约翰内斯古腾堡大学合成生物物理学教授兼美因茨分子生物学研究所兼职主任EdwardLemke领导的团队现在使用合成生物学，多维荧光显微镜和基于计算机的模拟的新组合来研究活细胞中的核孔IDP。

“我们使用现代精密工具用荧光染料标记意大利面样蛋白质的几个点，我们通过光激发并在显微镜中可视化，”Lemke解释说。“根据发光模式和持续时间，我们能够推断出蛋白质必须如何排列。Hummer补充说：“然后我们使用分子动力学模拟来计算IDP在孔隙中的空间组织方式，它们如何相互作用以及它们如何移动。我们第一次可以可视化人类细胞控制中心的大门。

动态蛋白质网络作为运输屏障

与我们之前所知道的相比，运输孔中的触手具有完全不同的行为，因为它们彼此之间以及与货物相互作用。它们像前面提到的意大利面在沸水中一样永久移动。所以，在孔的中心没有孔，而是一个摆动的，意大利面状分子的盾牌。

病毒或细菌太大而无法通过这个筛子。然而，细胞核中所需的其他大细胞分子可以通过，因为它们携带非常特定的信号。这些分子有入场券，而病原体通常没有。“通过解开孔隙填充物，我们进入了核输运研究的新阶段，”马克斯普朗克生物物理研究所的合作者和同事MartinBeck补充道。

“了解孔隙如何运输或块状货物将有助于我们识别错误。毕竟，尽管有屏障，但一些病毒仍设法进入细胞核，“悍马总结道。

“通过我们的方法组合，我们现在可以更详细地研究IDP，以找到为什么它们对于某些细胞功能是必不可少的，尽管它们容易出错。事实上，IDP几乎存在于所有物种中，尽管它们在衰老过程中具有形成聚集体的风险，这可能导致阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病，“Lemke说。通过了解国内流离失所者的功能，研究人员旨在开发预防病毒感染和帮助健康老龄化的新药或疫苗。