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세포 환경이 분자 구조를 형성합니다.

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컨텍스트가 중요합니다. 그것은 우리 세포 내에서 중요한 기능을 수행하는 작은 분자 기계를 포함하여 삶의 많은 측면에 해당됩니다.

과학자들은 종종 단백질이나 세포 소기관과 같은 세포 구성 요소를 개별적으로 검사하기 위해 정제합니다. 하지만, 새로운 연구 오늘 저널에 실린 자연 이 관행이 문제의 구성 요소를 크게 변경할 수 있음을 시사합니다.

연구원들은 세포 내부에 있는 핵공 복합체(nuclear pore complex, NPC)라고 불리는 큰 도넛 모양의 구조를 연구하는 방법을 고안했습니다. 그들의 결과는 기공이 이전에 생각했던 것보다 더 큰 치수를 가짐을 밝혀냈으며, 이는 고유 환경에서 복잡한 분자를 분석하는 것의 중요성을 강조했습니다.

"우리는 세포 환경이 NPC와 같은 큰 구조에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 이는 우리가 시작할 때 예상하지 못했던 것입니다."라고 MIT의 보리스 마가사닉(Boris Magasanik) 생물학 교수이자 이 연구의 공동 공동 연구자인 Thomas Schwartz가 말했습니다. 수석 작가. "과학자들은 일반적으로 큰 분자가 세포 내부와 외부 모두에서 기본적인 특성을 유지하기에 충분히 안정적이라고 생각했지만, 우리의 발견은 그 가정을 뒤집었습니다."

인간과 동물과 같은 진핵생물에서 대부분의 세포 DNA는 핵이라는 둥근 구조에 저장됩니다. 이 소기관은 세포의 나머지 부분을 채우고 있는 두꺼운 액체로부터 핵의 유전 물질을 분리하는 보호 장벽인 핵 외피에 의해 보호됩니다. 그러나 분자는 유전자 발현을 포함한 중요한 과정을 촉진하기 위해 여전히 핵을 드나들 수 있는 방법이 필요합니다. 이것이 NPC가 들어오는 곳입니다. 수백, 때로는 수천 개의 구멍이 핵막에 묻혀 특정 분자가 통과할 수 있는 관문을 만듭니다.

이 연구의 첫 번째 저자인 전 MIT 박사후 연구원인 Anthony Schuller는 NPC를 스포츠 경기장의 게이트에 비유했습니다. “게임 내부에 입장하려면 티켓을 보여주고 이 게이트 중 하나를 통과해야 합니다.”라고 그는 설명합니다.

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핵공 복합 단지 자세히 살펴보기

CR = 세포질 고리
IR = 내부 링
NR = 핵질 고리

NPC는 인간의 기준으로 볼 때 작을 수 있지만 세포에서 가장 큰 구조 중 하나입니다. 약 500개의 단백질로 구성되어 있어 구조를 분석하기가 어렵습니다. 전통적으로 과학자들은 X선 결정학이라는 방법을 사용하여 조각을 연구하기 위해 개별 구성 요소로 분해했습니다. Schwartz에 따르면 보다 자연스러운 환경에서 NPC를 분석하는 데 필요한 기술은 최근에야 사용할 수 있게 되었습니다.

취리히 대학(University of Zurich)의 연구원들과 함께 Schuller와 Schwartz는 기공 구조를 해결하기 위해 극저온 집속 이온빔(cryo-FIB) 밀링과 극저온 전자 단층촬영(cryo-ET)이라는 두 가지 첨단 접근 방식을 사용했습니다.

세포 전체가 너무 두꺼워서 전자현미경으로 볼 수 없습니다. 그러나 연구원들은 MIT.nano의 자동화된 극저온 전자 현미경 센터와 코흐 통합 암 연구 연구소의 Peterson(1957) 나노기술 재료 핵심 시설에 있는 cryo-FIB 장비를 사용하여 동결된 결장 세포를 얇은 층으로 슬라이스했습니다. 이 과정에서 팀은 단순히 NPC를 분리하여 보는 것이 아니라 NPC가 포함된 세포의 단면을 캡처했습니다.

"이 접근법의 놀라운 점은 세포를 거의 조작하지 않았다는 것입니다."라고 Schwartz는 말합니다. “우리는 세포의 내부 구조를 교란시키지 않았습니다. 그것이 바로 혁명입니다.”

연구원들이 현미경 이미지를 보았을 때 본 것은 NPC에 대한 기존 설명과 상당히 달랐습니다. 그들은 기공의 중심 채널을 형성하는 가장 안쪽의 고리 구조가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 넓은 것을 발견하고 놀랐습니다. 자연 환경에 그대로 두면 기공이 최대 57나노미터까지 열려 이전 추정치에 비해 부피가 75% 증가합니다. 또한 팀은 NPC의 다양한 구성 요소가 함께 작동하여 모공의 크기와 전체 아키텍처를 정의하는 방법을 자세히 살펴볼 수 있었습니다.

Schuller는 "우리는 세포 환경이 NPC 구조에 영향을 미친다는 것을 보여주었지만 이제 어떻게 그리고 왜 그런지 알아내야 합니다."라고 말합니다. 모든 단백질이 정제될 수 있는 것은 아니기 때문에 cryo-ET와 cryo-FIB의 조합은 다양한 다른 세포 성분을 조사하는 데에도 유용할 것이라고 그는 덧붙였습니다. "이 이중 접근 방식은 모든 것을 잠금 해제합니다."

독일 RWTH 아헨 대학(RWTH Aachen University)의 생화학 교수인 볼프람 안토닌(Wolfram Antonin)은 “이 논문은 극저온 집중 이온빔으로 밀링된 인간 세포에 대한 극저온 전자 단층촬영(Cryo-electron tomography)이 어떻게 세포 구조에 대한 새로운 그림을 제공하는지 잘 보여줍니다. 연구에 참여하지 않았습니다. NPC의 중앙 수송 채널의 직경이 이전에 생각했던 것보다 크다는 사실은 그 기공이 인상적인 구조적 유연성을 가질 수 있다는 것을 암시합니다. "그것은 세포가 증가된 수송 수요에 적응하는 데 중요할 수 있습니다"라고 Antonin은 설명합니다.

다음으로 Schuller와 Schwartz는 기공의 크기가 어떤 분자가 통과할 수 있는지에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기를 희망합니다. 예를 들어, 과학자들은 최근에서야 그 구멍이 HIV와 같은 온전한 바이러스가 핵으로 들어갈 수 있을 만큼 충분히 크다고 결정했습니다. 동일한 원칙이 의학적 치료에도 적용됩니다. 특정 특성을 가진 적절한 크기의 약물만이 세포의 DNA에 접근할 수 있습니다.

Schwartz는 특히 모든 NPC가 동일하게 생성되었는지 또는 그 구조가 종이나 세포 유형에 따라 다른지 알고 싶어합니다.

"우리는 항상 세포를 조작하고 개별 구성 요소를 기본 컨텍스트에서 제외했습니다."라고 그는 말합니다. "이제 우리는 이 방법이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 큰 결과를 초래할 수 있다는 것을 압니다."

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출처: https://news.mit.edu/2021/cellular-environments-shape-molecular-architecture-1013

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