Die Entschlüsselung der Organisierung von Kernporen
Die eindeutige Funktion von NPC als Torwächter des Kerns und die am Kernverkehr involvierten Mechanismen sind gut dokumentiert. Die Mechanismen deren wichtiger Funktionen für die Chromatinregulation, die Genregulation und bestimmte Krankheiten wie bspw. die Leukämie, die über den einfachen Transport hinausgehen, liegen jedoch im Unklaren. Um dies zu verstehen, sind bessere Kenntnisse zur NPC-Organisation und -Struktur erforderlich. Dies war der Impetus des EU-finanzierten Projekts NPCCRYOET (A combined approach of cryo-electron tomography and protein tagging for elucidating the structural organization of the human nuclear pore complex). NPC werden größtenteils aus multiplen Kopien von etwa 30 verschiedenen Proteinkomponenten gebildet, die als Nucleoporine (Nup) bezeichnet werden und die als repetitive Subkomplexe des NPC organisiert sind. Wie diese Subkomplexe angeordnet sind, um das NPC-Gerüst zu bilden, ist nicht bekannt und eine Bestimmung deren Struktur ist eine technische Herausforderung. Aktuelle Methoden, die 2D-Immunogoldmarkierungstechniken und -Kryoelektronentomographieverfahren (Cryo-ET) anwenden, haben keine ausreichende Auflösung, um die genaue Position von Nup-Subkomplexen in der 3D-Struktur von NPC bestimmen zu können. Cryo-ET-Verfahren ermöglichen die Visualisierung gefriergetrockneter biologischer Proben, die nicht durch schädliche Probenbehandlungstechniken verändert werden. Das Verfahren ermöglichte wichtige Einblicke, die Auflösung ist jedoch im molekularen und nicht im atomaren Bereich. Die NPCCRYOET-Forscher verbesserten die subzellularen Fraktionierungsmethoden sowie die Kryobehandlung isolierter Kernhüllen für das Cryo-ET-Verfahren. Es wurde eine Erfassungstechnik mit hohem Durchsatz und Subtomogramm entwickelt, um eine hochauflösende Lokalisierung von Nup und die Visualisierung der molekularen NPC-Architektur zu ermöglichen. Zusammen mit verschiedenen Gene-Silencing-Protokollen für diverse Nup erreichte das Team die Struktur des menschlichen NPC und eine Lokalisierung des Nup214-Subkomplexes im NPC mit einer Auflösung von nahezu 4 nm. Im Weiteren passten die Wissenschaftler die isolierte Struktur des menschlichen Nup107-Subkomplexes auf die Abbildung des menschlichen NPC an. Es zeigte sich, dass sich 32 Kopien des Nup107-Subkomplexes in zwei vernetzte Ringe anordnen, wobei sich einer dieser Ringe an der zytoplasmischen Fläche und einer an der Kernfläche des NPS befindet. Die bahnbrechenden Ergebnisse des NPCCRYOET-Forschungsprojekts ebnen den Weg für die Lösung eines Rätsels, das Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt. Die Resultate öffnen eine Türe, um die Thematiken der NPC-Zusammensetzung, des Kerntransports und der strukturellen Organisation anzugehen, die weitreichende Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Behandlung von Krankheiten haben werden.
Schlüsselbegriffe
Subkomplex, Kryoelektronentomographie, Proteinmarkierung, Kernporenkomplex, Nucleoporine
