Kontext ist wichtig. Dies gilt für viele Facetten des Lebens, einschließlich der winzigen molekularen Maschinen, die lebenswichtige Funktionen in unseren Zellen erfüllen.

Wissenschaftler reinigen oft zelluläre Bestandteile wie Proteine ​​oder Organellen, um sie einzeln zu untersuchen. Jedoch, eine neue Studie heute in der Zeitschrift veröffentlicht Natur legt nahe, dass diese Praxis die fraglichen Komponenten drastisch verändern kann.

Die Forscher entwickelten eine Methode, um eine große, donutförmige Struktur namens Kernporenkomplex (NPC) direkt im Inneren von Zellen zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Pore größere Abmessungen hatte als bisher angenommen, was die Bedeutung der Analyse komplexer Moleküle in ihrer natürlichen Umgebung unterstreicht.

„Wir haben gezeigt, dass die zelluläre Umgebung einen erheblichen Einfluss auf große Strukturen wie den NPC hat, was wir zu Beginn nicht erwartet hatten“, sagt Thomas Schwartz, Boris Magasanik Professor für Biologie am MIT und Mitstreiter der Studie. leitender Autor. „Wissenschaftler waren im Allgemeinen der Meinung, dass große Moleküle stabil genug sind, um ihre grundlegenden Eigenschaften sowohl innerhalb als auch außerhalb einer Zelle beizubehalten, aber unsere Ergebnisse stellen diese Annahme auf den Kopf.“

In Eukaryoten wie Menschen und Tieren ist der größte Teil der DNA einer Zelle in einer abgerundeten Struktur namens Zellkern gespeichert. Diese Organelle wird von der Kernhülle abgeschirmt, einer Schutzbarriere, die das genetische Material im Zellkern von der dicken Flüssigkeit trennt, die den Rest der Zelle ausfüllt. Aber Moleküle brauchen immer noch einen Weg in den Zellkern hinein und aus ihm herauszukommen, um wichtige Prozesse, einschließlich der Genexpression, zu erleichtern. Hier kommt der NPC ins Spiel. Hunderte – manchmal Tausende – dieser Poren sind in die Kernhülle eingebettet und bilden Tore, die bestimmte Moleküle passieren lassen.

Der Erstautor der Studie, der ehemalige MIT-Postdoc Anthony Schuller, vergleicht NPCs mit Toren in einem Sportstadion. „Wenn Sie das Spiel im Inneren betreten möchten, müssen Sie Ihr Ticket vorzeigen und durch eines dieser Tore gehen“, erklärt er.

Der NPC mag nach menschlichen Maßstäben winzig sein, aber er ist eine der größten Strukturen in der Zelle. Es besteht aus ungefähr 500 Proteinen, was es schwierig macht, seine Struktur zu analysieren. Traditionell haben Wissenschaftler es in einzelne Komponenten zerlegt, um es mit einer Methode namens Röntgenkristallographie stückweise zu untersuchen. Laut Schwartz ist die Technologie, die erforderlich ist, um den NPC in einer natürlicheren Umgebung zu analysieren, erst seit kurzem verfügbar.

Zusammen mit Forschenden der Universität Zürich setzten Schuller und Schwartz zwei innovative Ansätze ein, um die Porenstruktur zu lösen: Kryofokussiertes Ionenstrahlfräsen (Cryo-FIB) und Kryo-Elektronentomographie (Cryo-ET).

Eine ganze Zelle ist zu dick, um sie unter einem Elektronenmikroskop zu betrachten. Aber die Forscher schnitten gefrorene Dickdarmzellen in dünne Schichten mit der Kryo-FIB-Ausrüstung, die im Zentrum für automatisierte kryogene Elektronenmikroskopie des MIT.nano und der Peterson (1957) Nanotechnology Materials Core Facility des Koch-Instituts für integrative Krebsforschung untergebracht war. Dabei erfasste das Team Querschnitte der Zellen, die NPCs enthielten, anstatt die NPCs einfach isoliert zu betrachten.

„Das Erstaunliche an diesem Ansatz ist, dass wir die Zelle kaum manipuliert haben“, sagt Schwartz. „Wir haben die innere Struktur der Zelle nicht gestört. Das ist die Revolution.“

Was die Forscher sahen, als sie ihre Mikroskopiebilder betrachteten, unterschied sich deutlich von den bestehenden Beschreibungen des NPC. Sie waren überrascht, dass die innerste Ringstruktur, die den zentralen Kanal der Pore bildet, viel breiter ist als bisher angenommen. Wenn es in seiner natürlichen Umgebung belassen wird, öffnet sich die Pore bis zu 57 Nanometer – was zu einer Volumenzunahme von 75 Prozent im Vergleich zu früheren Schätzungen führt. Das Team konnte sich auch genauer ansehen, wie die verschiedenen Komponenten des NPCs zusammenwirken, um die Abmessungen und die Gesamtarchitektur der Pore zu definieren.

„Wir haben gezeigt, dass die zelluläre Umgebung die NPC-Struktur beeinflusst, aber jetzt müssen wir herausfinden, wie und warum“, sagt Schuller. Da nicht alle Proteine ​​gereinigt werden können, wird die Kombination von Kryo-ET und Kryo-FIB auch für die Untersuchung einer Vielzahl anderer zellulärer Komponenten nützlich sein. „Dieser duale Ansatz erschließt alles.“

„Das Papier illustriert sehr schön, wie technische Fortschritte, in diesem Fall die Kryo-Elektronentomographie an kryofokussierten Ionenstrahl-gemahlenen menschlichen Zellen, ein neues Bild der zellulären Strukturen liefern“, sagt Wolfram Antonin, Professor für Biochemie an der RWTH Aachen war nicht an der Studie beteiligt. Die Tatsache, dass der Durchmesser des zentralen Transportkanals des NPCs größer ist als bisher angenommen, deutet darauf hin, dass die Pore eine beeindruckende strukturelle Flexibilität aufweisen könnte. „Das kann wichtig sein, damit sich die Zelle an die erhöhten Transportanforderungen anpasst“, erklärt Antonin.

Als nächstes hoffen Schuller und Schwartz zu verstehen, wie die Größe der Pore beeinflusst, welche Moleküle passieren können. Wissenschaftler haben beispielsweise erst kürzlich festgestellt, dass die Pore groß genug ist, um intakte Viren wie HIV in den Zellkern zu lassen. Das gleiche Prinzip gilt für medizinische Behandlungen: Nur Medikamente in entsprechender Größe mit bestimmten Eigenschaften können auf die DNA der Zelle zugreifen.

Schwartz ist besonders neugierig, ob alle NPCs gleich geschaffen sind oder ob sich ihre Struktur zwischen Spezies oder Zelltyp unterscheidet.

„Wir haben schon immer Zellen manipuliert und die einzelnen Komponenten aus ihrem nativen Kontext genommen“, sagt er. "Jetzt wissen wir, dass diese Methode viel größere Konsequenzen haben kann, als wir dachten."