Pora jądrowa, czyli cud nanotechniki

Zobaczono z atomową rozdzielczością budowę i funkcjonowanie wrót jądra komórkowego. Czy się stoi, czy się leży, nasze komórki pracują. Ich główna praca polega na tym, że powstają w nich białka na matrycy RNA. RNA bierze się z jądra komórkowego, gdzie powstaje dzięki przepisaniu na RNA informacji zawartej w DNA. DNA buduje chromosomy. Jest wielkie, lepkie i nigdy w sytuacji zdrowia nie opuszcza jądra komórkowego. Jest jak bezcenny zasób biblioteczny, zasób zastrzeżony. Chcesz poczytać fragmenty? Musisz zatem złożyć stosowne zamówienie, poczekać, a bibliotekarz uda się do tego specjalnego pomieszczenia, utrzymującego warunki ekstra i w białych rękawiczkach skopiuje dla Ciebie potrzebne strony. Tak to działa. Drzwi do takiego skarbca cennych woluminów są zamknięte na stałe i zabezpieczone specjalnymi mechanizmami i alarmami. Tak to też działa w komórce, a jedyną łączność chromosomów zamkniętych w jądrze ze światem zewnętrznym – w tym wypadku cytoplazmą owej komórki – zapewniają tzw. pory jądrowe. Precyzyjne białkowe molekularne wrota zatopione w podwójnej błonie otacząjącej jądro komórki. Dziś uczeni z Caltech (kalifornijskiego instytutu technologicznego, jednej z najsłynniejszych instytucji naukowych na świecie) pod kierunkiem André Hoelza zbadali owe miniaturowe wrota do bibliotecznego skarbca do poziomu pojedynczych budujących je atomów. Nikt nie obiecywał, że będzie łatwo, skoro kompleks pora jądrowego (NPC) składa się z ponad 1000 pojedynczych białek. Opłacało się jednak, bo nie tylko, że grupa 24 uczonych zrobiła podwójny „wsad” do „Science” (dwa niezależne artykuły w tym samym numerze czasopisma), to są materiałem anonsowanym na okładce tygodnika pięknym plakatem przedstawiającym w kolorach złota i srebra ową jądrową porę od strony cytoplazmy komórki. A trzeba nieuczonym wiedzieć, że żaden plakat czy obraz nie robi takiego wrażenia na ścianie gabinetu szefa grupy badawczej zajmującej się naukami przyrodniczymi, jak okładki z „Science”, „Nature”, „Cell” czy „PNAS”, które w życiu miał.Choć oczywiście w owej bibliotece ważne są te schowane starodruki, a nie same wrota do nich, to jednak konsekwencje tych badań są potencjalnie ogromne. NPC jest nie tylko kluczowy dla działania komórki, ale jego niewłaściwa budowa, a zatem działanie, bierze udział w powstawaniu wielu chorób. Mutacje w genach kodujących białka budujące NPC są odpowiedzialne za niektóre nowotwory, choroby neurodegeneracyjne i autoimmunologiczne, takie jak stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i ostra encefalopatia martwicza, a także za choroby serca, w tym migotanie przedsionków i wczesną nagłą śmierć sercową. Ponadto wiele wirusów, w tym ten odpowiedzialny za COVID–19, atakuje i wyłącza NPC w trakcie swego cyklu życiowego. Mamy w badaniach z Caltech dwa przełomy: określenie struktury zewnętrznej powierzchni NPC i wyjaśnienie mechanizmu, dzięki któremu specjalne białka działają jak klej molekularny, który utrzymuje NPC razem. Aby to wszystko zrozumieć, uczeni musieli rozwiązać odpowiednik bardzo małej trójwymiarowej układanki, używając technik obrazowania takich jak mikroskopia elektronowa i krystalografia rentgenowska na każdym kawałku układanki z osobna. Najpierw uzyskano laboratoryjnie bakterię pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) zdolną wytwarzać wszystkie białka, z których składa się pora jądrowa w ludzkich komórkach każde z osobna w innym bakteryjnym szczepie. Bakterie – nie mając własnego jądra komórkowego, co w sposób zasadniczy odróżnia je od wszystkiego, co bakterią nie jest, czyli protistów, grzybów, roślin i zwierząt – nie ma też oczywiście własnych białek tworzących te nanostrukturę błony jądrowej. Na jedno doświadczenie potrzeba było potem 1500 litrów płynnej hodowli tych zmienionych genetycznie baterii producenckich. Skoro bakterie zrobiły wszystkie puzzle 3D, trzeba je było potem poskładać, testując je parami, co do czego pasuje. Następnie do pary dobierano z reszty kolejne i kolejne pasujące białko. Tak sobie myślę, warto będąc uczonym bawić się z dziećmi w takie układanki, aby nabrać doświadczenia i cierpliwości. Ostateczny rezultat to: 16–białkowa „cząstka pomarańczy”, która powtarza się osiem razy, tworząc strukturę NPC od strony komórki. Ich praca stanowiła uzupełnienie badań prowadzonych przez Martina Becka z Instytutu Biofizyki im. Maxa Plancka we Frankfurcie w Niemczech, którego zespół wykorzystał tomografię krioelektronową do wygenerowania mapy, która zapewniała kontury układanki, w której naukowcy musieli umieścić elementy. Aby przyspieszyć ukończenie układanki struktury ludzkich NPC, Hoelz i Beck wymienili się danymi ponad dwa lata temu, a następnie niezależnie zbudowali struktury całego NPC. Wyznaczone eksperymentalnie struktury fragmentów NPC z grupy Hoelza posłużyły do walidacji modelowania przez grupę Becka. Jeśli wyniki dwóch niezależnych podejść całkowicie się zgadzały, to znaczy, że … pora jądrowa wygląda właśnie tak, a nie inaczej. Uwielbiam, gdy uczeni siedzą nad projektem kilka lat i idą „do gazety” dopiero wtedy, gdy mają w rękach już wszystko, a nie „najmniejszą jednostkę publikowalną”. Wielki szacunek za to i za tak pięknę współpracę konkurujących ze sobą zespołów w poszukiwaniu prawdy.W tym drugim wspomnianym artykule zespół badawczy opisuje, w jaki sposób określił całą strukturę tego, co jest znane jako rusztowanie łącznikowe NPC – zbiór białek, które pomagają utrzymać NPC razem, jednocześnie zapewniając mu elastyczność niezbędną do otwierania i zamykania oraz dopasowywania się do przechodzących cząsteczek. Pamiętajmy, że cząsteczki RNA przygotowane do eksportu z jądra, bywają opakowane w specjalne białka i naprawdę solidnych, ale dość różnych wielkości. Te jądrowe wrota do skarbca nie są zatem sztywne, ale elastyczne. Jednocześnie jednak bardzo wybiórcze. Nie wejdzie tam nic, co nie ma specjalnego sygnału – nie zna molekularnego hasła. A muszą wejść choćby powstające w cytoplazmie białka niezbędne jądru do pracy. Jak te, które kopiują DNA na RNA. Aby sprawdzić swoją pracę polegającą ponownie na uzyskaniu tym razem dość elastycznych puzzli i ułożeniu ich, niczym – jak porównują sami autorzy pracy – eleganckie spaghetti, uczeni wprowadzili mutacje do genów kodujących każde z tych białek łącznikowych w żywej komórce. Ponieważ wiedzieli, jak te mutacje zmienią właściwości chemiczne i kształt określonego białka łącznikowego, czyniąc je wadliwym, mogli przewidzieć, co stanie się ze strukturą NPC komórki po wprowadzeniu tych wadliwych białek. Innymi słowy, nie tylko złożyli je prawidłowo, ale też pokazali, jak błąd w konkretnym elemencie dezorganizuje całą wieloskładnikową strukturę. Jest jasne dla każdego, że laboratoryjna probówka (a nawet setki kolb pozwalające wyhodować 1500 litrów bakterii na raz) to nic w porównaniu z komplikacją budowy i funkcji jednej żywej komórki. Wszystko, co dostaniemy in vitro, trzeba sprawdzić in vivo. Jak objaśniają uczeni, montaż zewnętrznej powierzchni NPC pomógł również rozwiązać odwieczną tajemnicę otoczki jądrowej, systemu podwójnej błony otaczającego jądro, w której „pływają” integralne białka błonowe (IMP), pełniące różne role, w tym działają jako receptory i pomagają katalizować reakcje biochemiczne. Struktura elastycznego rusztowania łączącego NPC pozwala na tworzenie małych „rynien” wokół jego zewnętrznej krawędzi, które pozwalają IMP prześlizgiwać się obok NPC z jednej strony otoczki jądrowej na drugą, podczas gdy zawsze pozostając osadzone w samej błonie. „Po ustaleniu jego struktury możemy teraz skupić się na opracowaniu podstaw molekularnych funkcji NPC, takich jak sposób eksportu mRNA i przyczyny wielu chorób związanych z NPC w celu opracowania nowatorskich terapii” – podsumowuje prof. Hoelz swą opowieść dla biura prasowego Caltech. To jest naprawdę duża rzecz, i cieszy.