Den eukaryote cellekerne ligner layoutet af en superbutik

Hovedkvarteret for en eukaryot celle er kernen, og de fleste af cellens informationer og instruktioner er lagret der i form af DNA (Deoxyribonukleinsyre). DNA'et, som er snoet, rullet og bundtet i en to meter lang kæde, sammen med proteinmolekyler, udgør den kromatinfiber, der ligger inde i kernen. Årevis, videnskabsmænd var nysgerrige på, hvordan disse komponenter er organiseret. Hvordan er det muligt, at proteiner, der er nødvendige i biokemiske reaktioner, bevæger sig effektivt i kernen fuld af DNA? Nylige undersøgelser har endelig løst mysteriet. Resultater, der beskriver det i detaljer, blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters den 21. december, 2020.

Molekyler i en overfyldt kerne

Kernen i hver celle skjuler en to meter lang kæde af et meget forbløffende og unikt molekyle:DNA. Sammen med histoner og forskellige relaterede proteiner, DNA opbygger en kromatinramme fyldt med en viskøs væske, der udviser fremragende molekylær sammensætningsdiversitet. I årtier, mobiliteten af ​​molekyler i kernen var ikke tilstrækkeligt udforsket, men den seneste udvikling har ændret denne status quo. Takket være dybdegående forskning udført af en gruppe forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi (IPC PAS) ledet af professor Robert Hołyst, mobiliteten af ​​molekyler i længdeskalaer fra enkelt til titusinder af nanometer i kernen præsenteres i detaljer.

En molekylær superbutik

På grund af sin lille størrelse, man kan antage, at kernen har en simpel struktur og en tilfældig molekylefordeling. Det er på ingen måde tilfældet. Kernen har et utroligt komplekst og finjusteret layout. DNA'et ligner ikke et rodet virvar af spaghetti; det er effektivt pakket ind i kompakte strukturer. Selv kernens nanoskalaviskositet bestemmer mobiliteten af ​​de individuelle objekter indeni. For bedre at visualisere, hvor velorganiseret det hele er, kernen kan beskrives som en superbutik. Kromatinfibrene fungerer som hylder, besidder et udvalg af nødvendige genetiske oplysninger (dvs. DNA) ligesom butikshylderne er fyldt med produkter. Disse hylder optager ikke hele pladsen, men snarere er de adskilt inden for en gang-lignende afstand, der fungerer som en kanal. De mennesker, der krydser gangene i specifikke mønstre, mens de handler, kan sammenlignes med proteinmolekylerne, der bevæger sig noget tilfældigt inden for kernens kanaler i henhold til reglerne for Brownsk bevægelse. Uanset hvor overfyldt gangen bliver, folk finder altid en måde at gå forbi hinanden, holde en vis afstand mens de går. De molekyler, der krydser molekylære kanaler, gør det samme uden trafikproblemer på deres vej. Dette gør det muligt for hvert molekyle at rejse effektivt, opretholde orden i en superbutik.

Viskositetspåvirkning

De molekyler, der er til stede i de eukaryote celler, har forskellige størrelser. For eksempel, ioner er subnanometer store, proteinradier er typisk få nanometer; et nukleosoms radius er omkring 5,5 nm, mens opfoldede kromatinfibre har en radius på omkring 15 nm. Desuden, kondenserede sløjfer af kromatin danner kompakte strukturer på højere niveau, og kan prale af en radius på omkring 150 nm. For at forstå deres mobilitet i kernen, Professor Hołysts team foreslog at placere objekter på nanometerstørrelse, der dækker hele spektret af naturlige komponenters længdeskalaer fundet i kernen. Polymerer, proteiner, og nanopartikler med en radius fra 1,3 til 86 nm inde blev overvejet.

For at se denne spændende organisation på nanoskala niveau, specifikke molekylers mobilitet blev undersøgt ved hjælp af ikke-invasive teknikker såsom fluorescenskorrelationsspektroskopi (FCS) og rasterbilledkorrelationsspektroskopi (RICS). Takket være stoffer som GFP (grønt fluorescerende protein) eller de rhodamin-baserede nanopartikler i nanomolær koncentration, det var muligt at observere mobiliteten af ​​bestemte molekyler og bestemme nukleoplasmaviskositeten uden at forårsage nogen forstyrrelse af cellulær aktivitet. Disse teknikker giver videnskabsmænd mulighed for at undersøge selv de mindste ændringer på molekylært niveau. Mobiliteten af ​​store nanopartikler blev reduceret med så meget som 6 gange sammenlignet med diffusionen i et vandigt medium.

Imidlertid, den typiske protein-størrelse molekyler diffusion blev reduceret kun 2-3 gange. Mobiliteten falder drastisk, når radius af injicerede genstande er større end 20, større betydning for estimeringer af diffusionskoefficienten, det er muligt at se nærmere på molekylernes bevægelse og interaktion, der sker mellem bestemte objekter i kernens kanaler og inden for den pakkede struktur inde i kernen. Disse målinger udvider vores nuværende forståelse af kernens struktur. At have en god forståelse af kompleksiteten af ​​kanalerne inden for kerner er afgørende, da det direkte bidrager til vores viden om, hvor store biostrukturer, måske inklusive den nærmeste fremtids medicin, transporteres inde i cellen.

Den første forfatter, dr. Grzegorz Bubak bemærker, "Vores eksperimenter afslørede, at eukaryot cellekerne perkoleres af ~150 nm brede interkromosomale kanaler fyldt med den vandige fortyndede proteinopløsning med lav viskositet."

Undersøgelserne, der kvantificerer trængslen i cellernes kerner, afslører, at de fleste molekyler frit kan passere gennem denne komplekse struktur. Baseret på eksperimenter understøttet af teoretiske modeller, det var muligt at estimere kanalernes bredde (~150 nm) mellem kromatinstrukturen. Kernkanalerne kan udgøre så meget som 34% af kernernes volumen, hvilket er omkring 240 fL. Hvis de var smallere, kromatinfibrene ville være mere spredte, gør molekylernes effektive bevægelse indeni umulig. Det er fascinerende, at kernen kan indeholde så store mængder DNA og andre kemiske grundstoffer uden at forstyrre molekylernes migration. Dette er alt sammen takket være de velarrangerede kromatinfibre lavet af DNA med strukturelle proteiner, der giver den dobbelte helix sin form. Mobiliteten af ​​bestemte kemiske elementer gennem den biologiske væske i molekylære kanaler er afgørende i mange processer, såsom at skabe specifikke molekyler og danne nye proteinkompleksstrukturer.

"Disse resultater kan være af stor betydning, når man designer biologiske lægemidler såsom terapeutiske proteiner, enzymer, og monoklonale antistoffer, som kan have de hydrodynamiske radier større end konventionelle kemiske lægemidler baseret på syntetiske forbindelser, " slutter dr. Bubak

Som et resultat af disse undersøgelser, mobiliteten af ​​molekylerne i de nukleare kanaler er nu beskrevet detaljeret og velforstået for første gang. Takket være den forskning, der præsenteres i dette arbejde, vi ved nu, hvordan kromatinfibrene styrer molekyleorganisation, afslører det spændende molekylære maskineri gemt dybt inde i kernen. Vi er nu et skridt tættere på at udvikle terapeutiske midler, der effektivt kan transporteres ind i kernen.