Контекст имеет значение. Это верно для многих аспектов жизни, включая крошечные молекулярные машины, которые выполняют жизненно важные функции внутри наших клеток.

Ученые часто очищают клеточные компоненты, такие как белки или органеллы, чтобы исследовать их индивидуально. Тем не мение, нового исследования опубликовано сегодня в журнале природа предполагает, что такая практика может радикально изменить рассматриваемые компоненты.

Исследователи разработали метод изучения большой структуры в форме пончика, называемой комплексом ядерных пор (NPC), непосредственно внутри клеток. Их результаты показали, что поры имеют большие размеры, чем считалось ранее, что подчеркивает важность анализа сложных молекул в их естественной среде.

«Мы показали, что клеточная среда оказывает значительное влияние на большие структуры, такие как NPC, чего мы не ожидали, когда начинали», - говорит Томас Шварц, профессор биологии Бориса Магасаника в Массачусетском технологическом институте и соавторы исследования. старший автор. «Ученые обычно считали, что большие молекулы достаточно стабильны, чтобы сохранять свои фундаментальные свойства как внутри, так и вне клетки, но наши открытия переворачивают это предположение с ног на голову».

У эукариот, таких как люди и животные, большая часть клеточной ДНК хранится в округлой структуре, называемой ядром. Эта органелла защищена ядерной оболочкой, защитным барьером, который отделяет генетический материал в ядре от густой жидкости, заполняющей остальную часть клетки. Но молекулам по-прежнему нужен способ входить и выходить из ядра, чтобы облегчить важные процессы, включая экспрессию генов. Вот где на помощь приходят NPC. Сотни, а иногда и тысячи этих пор встроены в ядерную оболочку, создавая шлюзы, которые позволяют определенным молекулам проходить.

Первый автор исследования, бывший постдок Массачусетского технологического института Энтони Шуллер, сравнивает NPC с воротами спортивного стадиона. «Если вы хотите получить доступ к игре внутри, вы должны показать свой билет и пройти через одни из этих ворот», - объясняет он.

NPC может быть крошечным по человеческим меркам, но это одна из самых больших структур в клетке. Он состоит примерно из 500 белков, что усложняет анализ его структуры. Традиционно ученые разбили его на отдельные компоненты, чтобы изучить его по частям с помощью метода, называемого рентгеновской кристаллографией. По словам Шварца, технология, необходимая для анализа NPC в более естественной среде, стала доступной только недавно.

Вместе с исследователями из Цюрихского университета Шуллер и Шварц использовали два передовых подхода к решению структуры пор: измельчение крио-сфокусированным ионным пучком (крио-ФИП) и криоэлектронная томография (крио-ЭТ).

Целая клетка слишком толстая, чтобы смотреть на нее под электронным микроскопом. Но исследователи разрезали замороженные клетки толстой кишки на тонкие слои с помощью оборудования крио-ФИБ, размещенного в Центре автоматизированной криогенной электронной микроскопии Массачусетского технологического института (MIT.nano) и в Базовом центре нанотехнологических материалов Peterson (1957) Института интегративных исследований рака. При этом команда захватила сечения ячеек, которые включали NPC, вместо того, чтобы просто смотреть на NPC по отдельности.

«В этом подходе удивительно то, что мы практически не манипулировали клеткой», - говорит Шварц. «Мы не нарушили внутреннюю структуру клетки. Это революция ».

То, что исследователи увидели при просмотре своих микроскопических изображений, сильно отличалось от существующих описаний NPC. Они были удивлены, обнаружив, что внутренняя кольцевая структура, образующая центральный канал поры, намного шире, чем считалось ранее. Когда он остается в естественной среде, поры открываются до 57 нанометров, что приводит к увеличению объема на 75 процентов по сравнению с предыдущими оценками. Команда также смогла более внимательно изучить, как различные компоненты NPC работают вместе, чтобы определить размеры пор и общую архитектуру.

«Мы показали, что клеточная среда влияет на структуру NPC, но теперь мы должны выяснить, как и почему», - говорит Шуллер. Он добавляет, что не все белки можно очистить, поэтому комбинация крио-ET и крио-FIB также будет полезна для исследования множества других клеточных компонентов. «Этот двойной подход открывает все».

«В документе хорошо показано, как технический прогресс, в данном случае криоэлектронная томография на измельченных крио-сфокусированным ионным пучком клетках человека, дает свежую картину клеточных структур», - говорит Вольфрам Антонин, профессор биохимии в RWTH Ахенского университета в Германии, который не принимал участия в исследовании. Тот факт, что диаметр центрального транспортного канала NPC больше, чем считалось ранее, намекает на то, что пора может обладать впечатляющей структурной гибкостью. «Это может быть важно для клетки, чтобы приспособиться к возросшим требованиям транспорта», - объясняет Антонин.

Затем Шуллер и Шварц надеются понять, как размер поры влияет на то, какие молекулы могут проходить через нее. Например, ученые только недавно определили, что поры достаточно велики, чтобы позволить интактным вирусам, таким как ВИЧ, проникнуть в ядро. Тот же принцип применяется к лечению: только лекарства подходящего размера с определенными свойствами смогут получить доступ к ДНК клетки.

Шварцу особенно любопытно узнать, созданы ли все NPC одинаковыми или их структура различается между видами или типами клеток.

«Мы всегда манипулировали клетками и вырывали отдельные компоненты из их естественного контекста», - говорит он. «Теперь мы знаем, что этот метод может иметь гораздо более серьезные последствия, чем мы думали».