Neue Bildgebung enthüllt die Geheimnisse der zellulären Verkehrskontrolle

Musser und sein Team haben untersucht, wie sich Moleküle schnell und effizient durch die Poren der Doppelmembran bewegen, die den Zellkern umhüllt, ohne zu kollidieren oder sich zu stauen. Das Team hat kürzlich eine Studie in der Zeitschrift Nature veröffentlicht, die neue Erkenntnisse über den Molekulartransport liefert.

Für die Studie wurde eine fortschrittliche Bildgebungstechnik namens MINFLUX benötigt, die das EMBL Imaging Centre (IC) zur Verfügung stellte.

Mit MINFLUX verfolgten die Forscher molekulare Bewegungen in Millisekunden und in 3D in einem noch nie dagewesenen Maßstab: etwa 100.000 Mal kleiner als die Breite eines menschlichen Haares. Ihre Ergebnisse zeigen, dass Import (der Prozess, bei dem Moleküle in den Kern eindringen) und Export (der Prozess, bei dem Moleküle den Kern verlassen) in überlappenden Bahnen innerhalb des Kernporenkomplexes stattfinden. Dies stellt eine frühere Hypothese in Frage, wonach diese Prozesse in getrennten Bahnen ablaufen könnten.

Ein überraschendes Verkehrssystem

"Als wir anfingen, zogen wir zwei Möglichkeiten in Betracht", erklärt Musser. "Erstens, dass Import und Export getrennte Wege benutzen, wodurch die Gefahr von Staus vermieden wird, und zweitens, dass der Transport durch denselben Kanal erfolgt, aber Kollisionen vermieden werden, da die Moleküle umeinander herum manövrieren.

Ihre jüngsten Ergebnisse deuten auf das zweite Szenario hin. Die Moleküle bewegen sich durch schmale Kanäle in beide Richtungen und schlängeln sich umeinander herum, anstatt einer geteilten Autobahn zu folgen. Außerdem nutzen sie nur einen kleinen Querschnitt des Porendurchmessers und bewegen sich in der Nähe der Wände des Kanals und nicht in der Mitte. Noch überraschender ist, dass die Bewegung innerhalb des NPC etwa 1.000 Mal langsamer ist als in einer offenen Lösung - als ob man sich durch Ahornsirup bewegen würde - aufgrund eines Netzwerks ungeordneter Proteine, die die Pore verstopfen.

"Dies ist das Worst-Case-Szenario - Verkehr in beide Richtungen in engeren Kanälen", so Musser. "Was wir entdeckt haben, war eine unerwartete Kombination dieser Möglichkeiten. Wir kennen also nicht die ganze Antwort, und es ist komplizierter, als wir ursprünglich dachten.

Vermeidung von Staus

Trotz der langsamen Fortbewegung scheint der NSC-Transport nicht von Menschenansammlungen beeinträchtigt zu werden, da er anscheinend erfolgreich Staus vermeidet.

"NPCs sind möglicherweise so konzipiert, dass sie nicht an der Kapazitätsgrenze operieren müssen", so Musser. "Dies allein könnte die schädlichen Auswirkungen von Wettbewerb und Verstopfung begrenzen.

Anstatt direkt durch die Mitte des NPC zu gelangen, bewegen sich die Moleküle offenbar durch einen von acht verschiedenen Transportkanälen, die jeweils auf eine einzelne Speiche innerhalb des peripheren Ringes beschränkt sind, was auf einen strukturellen Mechanismus hindeutet, der die Regulierung des Verkehrs unterstützt.

"Bei Hefe-Kernporen wird seit langem ein 'zentraler Pfropfen' beobachtet, aber die Art dieses Materials ist nach wie vor unbekannt", so Musser. "Beim Menschen wurde ein solcher 'zentraler Pfropfen' nicht ohne weiteres beobachtet, aber eine funktionelle Kompartimentierung ist eine sehr reale Möglichkeit, und das Porenzentrum könnte der primäre Weg für den mRNA-Export sein."

Beobachtung von Staus auf der Nanoskala

Um die Bewegung von Molekülen durch die NPCs sichtbar zu machen, benötigten die Forscher eine Methode, mit der sie einzelne Moleküle mit hoher Auflösung über die Zeit verfolgen konnten. Laut Sebastian Schnorrenberg, Anwendungsspezialist am EMBL IC, ist MINFLUX derzeit die lichtmikroskopische Methode, die die höchste räumliche und zeitliche Auflösung bietet und bis zu zehnmal genauer ist als bisherige Methoden. Außerdem können die Forscher damit Moleküle im Vergleich zu anderen Mikroskopietechniken wesentlich länger verfolgen.

"Das bedeutet, dass wir deutlich mehr Datenpunkte erhalten und eine höhere Genauigkeit bei der Verfolgung von Frachtmolekülen erreichen konnten als mit früheren Technologien", so Schnorrenberg. Während die Musser-Gruppe zuvor Studien mit konventionellen Einzelpartikel-Verfolgungsmethoden veröffentlichte, konnte sie mit MINFLUX den Import-/Exportprozess viel genauer analysieren und neue biologische Erkenntnisse gewinnen.

"Für mich persönlich war es eines der technologisch anspruchsvollsten Anwenderprojekte, an denen ich je gearbeitet habe", so Schnorrenberg. "Im Laufe des Projekts mussten wir verschiedene Probleme lösen und neue Wege entwickeln, um verschiedene Ansätze zu kombinieren, von denen wir einige noch nie zuvor ausprobiert hatten."

Bei der Verarbeitung und Analyse der MINFLUX-Daten wurden die Forscher von Ziqiang Huang, Image Analysis Specialist am EMBL IC, unterstützt. "MINFLUX bietet die Möglichkeit, den Transport von Kernporen mit einer räumlichen Auflösung im Nanometerbereich und einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich zu verfolgen", sagte Huang.

"Dieses Projekt ist auch ein großartiges Beispiel dafür, wohin wir unseren Service im EMBL IC langfristig entwickeln wollen", so Schnorrenberg. "MINFLUX ermöglicht nicht nur die Verfolgung einzelner Moleküle in Zellen, sondern könnte theoretisch auch zur Visualisierung von Strukturveränderungen in Proteinen eingesetzt werden, so dass wir Proteine in Aktion beobachten können. Das finde ich persönlich extrem spannend."

Auswirkungen auf Krankheiten und zukünftige Forschung

Der NPC spielt eine entscheidende Rolle bei der Zellfunktion, und seine Fehlfunktion wurde mit zahlreichen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter fortschreitende Gehirnerkrankungen wie die amyotrophe Lateralsklerose (ALS), die Alzheimer-Krankheit und die Huntington-Krankheit. Darüber hinaus ist bekannt, dass erhöhte NPC-Traffic-Raten für das Krebswachstum von Bedeutung sind. Während die gezielte Beeinflussung bestimmter NPC-Regionen eine potenzielle therapeutische Strategie darstellen könnte, um "verstopfte" Poren freizulegen oder die Trafficking-Raten zu verringern, warnt Musser, dass der NPC-Transport eine grundlegende zelluläre Funktion ist und die Beeinflussung verschiedener Funktionsaspekte zu erheblichen Nebenwirkungen führen könnte.

"Es ist wichtig, zwischen Effekten zu unterscheiden, die an der Pore auftreten (Transport), und Effekten, die außerhalb der Pore auftreten (Aufbau und Abbau des Transportkomplexes)", so Musser. "Ich vermute, dass die meisten Verbindungen zwischen Kerntransport und Krankheit in die letztgenannte Kategorie fallen, aber das bedeutet nicht, dass dies bei allen der Fall ist, und bei einigen sicher nicht." So können beispielsweise Mutationen im c9orf72-Gen, das mit ALS und frontotemporaler Demenz in Verbindung gebracht wird, zu Aggregaten führen, die die NPCs blockieren.

Mit Blick auf die Zukunft werden Musser und sein Hauptmitarbeiter Abhishek Sau, PhD, Assistant Research Scientist und Facility Manager für das Texas A&M Joint Microscopy Lab, ihre Zusammenarbeit mit ihrem Team in Deutschland (EMBL IC und Abberior Instruments) fortsetzen, um festzustellen, ob verschiedene Frachtmoleküle - wie große ribosomale Untereinheiten und mRNA - unterschiedliche Transportwege nutzen oder einen gemeinsamen Weg haben. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, MINFLUX für die Echtzeit-Bildgebung in lebenden Zellen anzupassen, was ein noch klareres Bild der Kerntransportdynamik liefern könnte.

Diese von den National Institutes of Health finanzierte Studie bietet eine neue Perspektive darauf, wie Zellen den molekularen Verkehr effizient steuern, und liefert entscheidende Erkenntnisse über Zellfunktionen und Krankheiten. Der Zellkern mag eine mikroskopische Metropole sein, aber dank des NPC bleibt sein Verkehrskontrollsystem bemerkenswert effizient.