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Regulierung des Molekültransports durch Kernmembranen

Wissenschaftler entwickelten ein bahnbrechendes In-vitro-System, an dem der Transport von Einzelmolekülen in und aus dem Zellkern untersucht werden kann. Auf Basis detaillierter struktureller Kenntnisse können dann bestimmte Funktionen zugeordnet werden.

Gesundheit

Die Zellkerne eukaryotischer Zellen besitzen eine in Kompartimente unterteilte Kernmembran, die das Erbgut schützt. Um Zellfunktionen aufrecht zu erhalten, müssen dabei Moleküle (Proteine und RNA) durch die Kernhülle geschleust werden. Dieser molekulare Austausch wird durch große Kernporenkomplexe (nuclear pore complexes, NPC) geregelt, die aus rund 30 verschiedenen Proteinuntereinheiten bestehen, so genannten Nukleoporinen (Nup). Die Poren ermöglichen den freien Austausch kleiner Moleküle, Wasser und Ionen und regeln den Durchtritt anderer größerer Moleküle über Kerntransportrezeptoren. Obwohl die Struktur und Biochemie von NPC relativ gut erforscht ist, ist wenig über deren Selektivität bekannt. Bisher waren eine Rekonstruktion der Poren in vitro und damit auch detaillierte funktionelle Studien und Messungen nicht möglich. Neue Einblicke hierzu sollte nun das bahnbrechende EU-finanzierte Projekt "Biomimetic nanopore for a mechanistic study of the nuclear pore complex" (BIONANOPORE) geben. Die Forscher entwickelten ein Festphasen-NPC, an das verschiedene Nup kovalent binden können, um Funktionsanalysen durchzuführen und den Transport einzelner Moleküle zu vergleichen. Importin beta (Imp beta) ist ein bekannter Kernimportrezeptor. Die Wissenschaftler erstellten ein experimentelles Paradigma mit hoher zeitlicher Auflösung zur elektrischen Detektion der Translokation von Imp beta. Mit dem hochempfindlichen Protokoll lassen sich geringste Unterschiede zwischen Nukleoporinen quantifizieren. Die unter BIONANOPORE entwickelten biomimetischen NPC erlauben den selektiven Transport von Imp Beta und blockieren dabei den Transport des unspezifischen Proteins Rinderserumalbumin, das häufig als Blockierungsreagens in Zellkulturen eingesetzt wird. Die Versuchsanordnung offenbarte geringfügige Unterschiede bei beiden Nup. Obwohl beide relativ zeitgleich den selektiven Transport von Imp beta erlauben, unterscheiden sie sich in ihrer Selektivität für Imp beta. Erklären ließ sich dies durch eine vorherige Beobachtung der Forschergruppe: durch niedrigere Selektivität wird ein größerer offener Kanal generiert, durch den ähnliche Moleküle in den Poren binden und durchgeschleust werden können. Die bahnbrechende experimentelle Technik von BIONANOPORE ebnet den Weg für detaillierte mechanistische Studien zu NPC und deren vielen Proteinuntereinheiten. Der Nachweis von Einzelmolekültransporten und Unterschieden bei der kovalenten Bindung einzelner Nup an die biomimetische Nanopore wird die Wirkstoffforschung enorm beschleunigen. Die Erforschung der Funktionsweise dieser NPC kann dazu beitragen, ihre mögliche Rolle bei Krankheitsprozessen zu klären und den Weg für neuartige zielgerichtete Therapien zu weisen.

Schlüsselbegriffe

Kernhülle, in vitro, Einzelmolekültransport, Kernporenkomplexe, Nukleoporine, biomimetisch, biomimetische Nanopore, mechanistische Studie, Festkörper, Imp beta

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