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Zelluläre Körbe im Visier

Credit: Brocreative – stock.adobe.com
Der nukleäre Korb ist eine konische, netzartige Struktur, die am Hauptkörper des Kernporenkomplexes befestigt ist. Der Korb ist von entscheidender Bedeutung für den Transport von Makromolekülen zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma, während er auch viele Aspekte der Genexpression reguliert. Dem Labor von Alwin Köhler ist es zum ersten Mal gelungen, wichtige Teile des Korbes auf synthetischen Membranen nachzubauen. Ihre Studie, die in Science Advances veröffentlicht wurde, bietet neue Einblicke in die komplizierten Bauprinzipien dieser wichtigen Struktur und hilft zu erklären, wie sie die für den Transport großer Moleküle erforderliche Flexibilität erreicht.

Eukaryoten speichern ihre genetische Information im Zellkern, was ein logistisches Problem darstellt. Um die Expression von Genen zu regulieren und die Produkte der Genexpression zu nutzen, müssen die Moleküle die dicke, doppelschichtige Kernhülle passieren können. Kernporenkomplexe (NPCs) stellen solche Tore zur Verfügung. Die Kernhülle einer typischen Säugetierzelle enthält Hunderte bis Tausende von NPCs, von denen jeder in der Lage ist, bis zu tausend Makromoleküle pro Sekunde in den Zellkern hinein und aus ihm heraus zu transportieren. "In letzter Zeit wurden große Fortschritte beim Verständnis der Struktur und Architektur der NPC erzielt", sagt der Erstautor der Studie Jakub Cibulka, der derzeit als Postdoktorand an der Masaryk-Universität in Brünn (Tschechische Republik) forscht. "Ein wichtiger Bestandteil des NPC, der Korb, war jedoch aufgrund seiner Instabilität und strukturellen Flexibilität schwer zu untersuchen und blieb daher weitgehend unerforscht.

Der Kernporenkorb, der aus dem NPC in den Zellkern hineinragt und einem Basketballkorb ähnelt, weist eine bemerkenswerte Flexibilität auf. Wenn große Partikel durch die Pore transportiert werden, kann sich der Korb ausdehnen und dann wieder zusammenfallen, so wie sich das Netz eines Basketballkorbes ausdehnt, wenn ein Ball durchfällt. Wissenschaftler haben lange versucht zu verstehen, wie der Korb dies erreichen kann, aber seine strukturelle Instabilität machte seine Rekonstruktion schwierig. "Der Korb ist extrem instabil und wird meist von intrinsisch ungeordneten oder sehr großen Proteinen gebildet, die schwer aufzubereiten sind", erklärt Jakub Cibulka. "Aufgrund seiner Flexibilität war es auch schwierig, ihn mit der Elektronenmikroskopie zu untersuchen". Frühere Arbeiten im Köhler-Labor hatten jedoch ergeben, dass der Korb durch zwei Proteine, Nup1 und Nup60, direkt an die Kernhülle gebunden ist. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass das fehlende Glied die natürliche Umgebung des Korbs ist - die innere Kernmembran.

Um den Korb auf einer Membran zu rekonstruieren, verfolgten die Wissenschaftler einen reduktionistischen Ansatz, indem sie den Zusammenbau von Schlüsselkomponenten des Korbkomplexes auf synthetischen Membranen durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar machten. Mit diesem "visuellen biochemischen" Ansatz untersuchten sie den hierarchischen Aufbau des Korbgerüsts aus aufbereiteten Proteinen. Erstaunlicherweise enthält Nup60 eine Reihe so genannter kurzer linearer Motive (SLiMs), die sowohl an die Membran als auch an andere Proteine des Korbs binden. Nup60 wirkt also wie ein Tragseil, an dem der Korb an der Membran und die Proteine des Korbs zusammengebunden sind. "Wir glauben, dass Nup60 durch die Verbindung der strukturierten Komponenten des Korbes, die konformative Plastizität des Korbes erweitert, was die beobachtete Flexibilität erklären könnte", sagt Jakub Cibulka.

Mit ihrem Ansatz wollen die Wissenschaftler:innen nun auch die Bildung von Kernporen verstehen. Wie sich die Hülle dynamisch verändert um diese Poren zu bilden ist kaum verstanden.  "Kernporen werden in unseren Zellen ständig auf- und abgebaut", erklärt Jakub Cibulka. "Es ist für mich immer noch überraschend, dass Zellen diese hochkomplexen Strukturen in relativ kurzer Zeit bilden können, ohne die Zellfunktionen zu stören". Durch den Einbau von Membranen und zusätzlichen NPC-Proteinen hoffen die Wissenschaftler:innen nun, die frühen Stadien der Kernporenbildung rekonstruieren zu können.

 

Publikation:

Jakub Cibulka, Fabio Bisaccia, Katarina Radisavljević, Ricardo M. Gudino Carrillo, Alwin Köhler: Assembly principle of a membrane-anchored nuclear pore basket scaffold. Science Advances 2022

DOI: 10.1126/sciadv.abl6863