Porte cellulari modellate dalle membrane e dal metabolismo
I complessi dei pori nucleari (NPC) sono macchine molecolari incorporate nella membrana che racchiude il nucleo della cellula. Essi fungono da porte d’ingresso altamente selettive, consentendo a molecole specifiche - come RNA, proteine e fattori di segnalazione - di entrare e uscire dal nucleo, mentre ne tengono fuori altre. «Questo traffico strettamente regolato è essenziale per l’espressione genica e il processo decisionale cellulare», spiega il coordinatore del progetto NPC-BUILD Alwin Koehler(si apre in una nuova finestra) della Università di Medicina di Vienna(si apre in una nuova finestra) in Austria. «Senza gli NPC, l’informazione genetica all’interno del nucleo sarebbe tagliata fuori dal resto della cellula».
Sezionare il canestro nucleare
Una componente importante degli NPC, tuttavia, è rimasta misteriosa: il canestro nucleare. Si tratta di una struttura flessibile, simile a un tentacolo, che si estende nel nucleo e collega gli NPC alla membrana nucleare interna (MNI). «Non sapevamo come questo canestro si assemblasse, come rimanesse attaccato o come potesse influenzare - o addirittura riprogrammare - la funzione degli NPC», dice l’autore. «Si sapeva molto poco anche su quali tipi di lipidi costituissero questa membrana, o se influenzassero il comportamento dei pori nucleari». Il progetto NPC-BUILD, sostenuto dal Consiglio Europeo della Ricerca(si apre in una nuova finestra), si proponeva di determinare se - e come - il canestro nucleare sia ancorato alla MNI e se il metabolismo lipidico presso la MNI influenzi direttamente il suo assemblaggio e la sua funzione. Per raggiungere questo obiettivo, il progetto ha combinato biologia strutturale, imaging di cellule vive, biologia sintetica e biochimica dei lipidi. Le innovazioni comprendono la ricostruzione dell’assemblaggio del canestro NPC utilizzando membrane artificiali, l’applicazione della microscopia elettronica 3D e la progettazione di nuovi biosensori per visualizzare il metabolismo dei lipidi nella MNI in tempo reale nelle cellule viventi. «Questi strumenti ci hanno permesso non solo di sezionare l’architettura del canestro degli NPC, ma anche di comprenderla nel contesto metabolico e fisico della membrana nucleare», aggiunge il ricercatore.
Comprendere la struttura e la funzione degli NPC
Per Koehler, l’intuizione più importante è che la struttura e la funzione degli NPC sono profondamente intrecciate con il metabolismo dei lipidi nella MNI. «Diverse scoperte ci hanno portato a questa conclusione», spiega. «Abbiamo scoperto che i livelli di saturazione lipidica - quanto è rigida o fluida la membrana - influenzano profondamente l’assemblaggio e la stabilità del canestro degli NPC. Abbiamo anche dimostrato che la membrana nucleare interna è metabolicamente attiva. Non si limita a ospitare passivamente le proteine incorporate, ma regola attivamente la produzione e l’immagazzinamento dei lipidi». Il team del progetto ha identificato Nup60 come un elemento chiave di ancoraggio del canestro NPC, che agisce come un cavo di sospensione che assicura il canestro alla MNI. Questa interazione è sensibile ai lipidi e fornisce un legame molecolare diretto tra l’ambiente lipidico e l’assemblaggio del canestro degli NPC.
Gli NPC come strutture sensibili ai lipidi
Il progetto NPC-BUILD ha contribuito a dimostrare che gli NPC non sono solo macchine proteiche. Sono strutture sensibili ai lipidi, incorporate e modellate da una membrana metabolicamente attiva. «Il metabolismo lipidico è alterato in molte malattie, tra cui il cancro, la neurodegenerazione e l’invecchiamento precoce», osserva. «I nostri risultati suggeriscono che tali interruzioni possono avere conseguenze dirette sul trasporto nucleare, sulla regolazione genica e sull’integrità del genoma - attraverso gli NPC». Il canestro degli NPC, un tempo considerato un’appendice passiva, emerge quindi come un sensore dinamico e un integratore dello stato fisico e metabolico della membrana. Questo apre nuovi modi di pensare a come le cellule coordinano la crescita, le risposte allo stress e l’adattamento metabolico. «In questo progetto abbiamo sviluppato strumenti che permetteranno ad altri di esplorare le membrane nucleari in modo dinamico e integrato», afferma. «Abbiamo anche contribuito a rimodellare il modo in cui pensiamo all’involucro nucleare, non come una barriera statica, ma come un’interfaccia viva e adattativa tra il metabolismo cellulare e la regolazione genica ».
