Nuove immagini rivelano i segreti del controllo del traffico cellulare

Musser e il suo team hanno studiato come le molecole si muovono in modo rapido ed efficiente attraverso i pori della doppia membrana che avvolge il nucleo della cellula senza collidere o incepparsi. Il team ha recentemente pubblicato sulla rivista Nature uno studio che fornisce nuove conoscenze sul trasporto molecolare.

Lo studio ha richiesto una tecnica di imaging avanzata chiamata MINFLUX, fornita dall'EMBL Imaging Centre (IC).

Utilizzando MINFLUX, i ricercatori hanno tracciato i movimenti molecolari in millisecondi e in 3D a una scala senza precedenti: circa 100.000 volte più piccola della larghezza di un capello umano. I risultati mostrano che l'importazione (il processo con cui le molecole entrano nel nucleo) e l'esportazione (il processo con cui le molecole lasciano il nucleo) avvengono in percorsi sovrapposti all'interno del complesso del poro nucleare. Ciò mette in discussione una precedente ipotesi secondo cui questi processi potrebbero avvenire in percorsi separati.

Un sistema di trasporto sorprendente

"Quando abbiamo iniziato, abbiamo considerato due possibilità", spiega Musser. In primo luogo, che l'importazione e l'esportazione utilizzino percorsi separati, evitando il rischio di congestione; in secondo luogo, che il trasporto avvenga attraverso lo stesso canale, ma che le collisioni siano evitate in quanto le molecole manovrano l'una intorno all'altra".

I risultati più recenti indicano il secondo scenario. Le molecole si muovono attraverso canali stretti in entrambe le direzioni e serpeggiano l'una intorno all'altra invece di seguire un'autostrada divisa. Inoltre, utilizzano solo una piccola sezione trasversale del diametro del poro e si muovono vicino alle pareti del canale piuttosto che al centro. Ancora più sorprendente è il fatto che il movimento all'interno della NPC è circa 1.000 volte più lento rispetto a quello di una soluzione aperta - come se si muovesse nello sciroppo d'acero - a causa di una rete di proteine disorganizzate che intasano il poro.

"Questo è lo scenario peggiore: traffico in entrambe le direzioni in canali più stretti", ha detto Musser. "Quello che abbiamo scoperto è una combinazione inaspettata di queste possibilità. Quindi non conosciamo l'intera risposta, ed è più complicata di quanto pensassimo inizialmente".

Evitare gli ingorghi

Nonostante la lentezza dei movimenti, il trasporto dei PNG non sembra essere influenzato dalla folla, in quanto sembra riuscire a evitare gli ingorghi.

"Le NPC potrebbero essere progettate in modo da non dover operare a pieno regime", ha detto Musser. "Già questo potrebbe limitare gli effetti dannosi della concorrenza e della congestione.

Invece di passare direttamente attraverso il centro della NPC, le molecole sembrano muoversi attraverso uno degli otto diversi canali di trasporto, ciascuno confinato in un singolo raggio all'interno dell'anello periferico, suggerendo un meccanismo strutturale che aiuta a regolare il traffico.

"Un 'tappo centrale' è stato osservato da tempo nei pori nucleari del lievito, ma la natura di questo materiale rimane sconosciuta", ha detto Musser. "Nell'uomo non è stato osservato facilmente un simile 'tappo centrale', ma la compartimentazione funzionale è una possibilità molto concreta e il centro del poro potrebbe essere la via principale per l'esportazione dell'mRNA".

Osservazione degli ingorghi su scala nanometrica

Per visualizzare il movimento delle molecole attraverso le NPC, i ricercatori avevano bisogno di un metodo che permettesse loro di seguire le singole molecole ad alta risoluzione nel tempo. Secondo Sebastian Schnorrenberg, specialista di applicazioni presso l'EMBL IC, MINFLUX è attualmente il metodo di microscopia ottica che offre la massima risoluzione spaziale e temporale ed è fino a dieci volte più preciso dei metodi precedenti. Inoltre, permette ai ricercatori di seguire le molecole molto più a lungo rispetto ad altre tecniche di microscopia.

"Questo significa che siamo stati in grado di ottenere un numero significativamente maggiore di punti dati e di ottenere una maggiore precisione nel tracciare le molecole di carico rispetto alle tecnologie precedenti", spiega Schnorrenberg. Mentre il gruppo di Musser aveva già pubblicato studi utilizzando metodi convenzionali di tracciamento di singole particelle, MINFLUX ha permesso di analizzare il processo di importazione/esportazione in modo molto più dettagliato e di ottenere nuove conoscenze biologiche.

"Per me personalmente è stato uno dei progetti utente tecnologicamente più impegnativi a cui abbia mai lavorato", afferma Schnorrenberg. "Nel corso del progetto, abbiamo dovuto risolvere diversi problemi e sviluppare nuovi modi per combinare diversi approcci, alcuni dei quali non erano mai stati sperimentati prima".

I ricercatori sono stati supportati nell'elaborazione e nell'analisi dei dati MINFLUX da Ziqiang Huang, specialista in analisi delle immagini presso l'EMBL IC. "MINFLUX offre la possibilità di seguire il trasporto dei pori nucleari con una risoluzione spaziale di nanometri e una risoluzione temporale di millisecondi", ha dichiarato Huang.

"Questo progetto è anche un ottimo esempio di dove vogliamo portare il nostro servizio all'EMBL IC nel lungo termine", ha detto Schnorrenberg. "MINFLUX non solo permette di seguire le singole molecole nelle cellule, ma potrebbe teoricamente essere utilizzato anche per visualizzare i cambiamenti strutturali delle proteine, in modo da poterle osservare in azione. Personalmente lo trovo estremamente eccitante".

Impatto sulle malattie e ricerca futura

La NPC svolge un ruolo cruciale nel funzionamento delle cellule e la sua disfunzione è stata collegata a numerose malattie, tra cui disturbi cerebrali progressivi come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), il morbo di Alzheimer e la malattia di Huntington. Inoltre, è noto che un aumento del traffico di NPC è importante per la crescita del cancro. Sebbene il targeting di specifiche regioni della NPC possa essere una potenziale strategia terapeutica per liberare i pori o ridurre i tassi di traffico, Musser avverte che il traffico della NPC è una funzione cellulare fondamentale e che interferire con diversi aspetti della funzione potrebbe portare a effetti collaterali significativi.

"È importante distinguere tra gli effetti che si verificano sul poro (trasporto) e quelli che si verificano al di fuori del poro (assemblaggio e disassemblaggio del complesso di trasporto)", afferma Musser. "Sospetto che la maggior parte dei collegamenti tra trasporto nucleare e malattia rientri in quest'ultima categoria, ma ciò non significa che sia così per tutti, e certamente non per alcuni". Ad esempio, le mutazioni del gene c9orf72, associato alla SLA e alla demenza frontotemporale, possono portare ad aggregati che bloccano le NPC.

In prospettiva, Musser e il suo principale collaboratore Abhishek Sau, PhD, Assistant Research Scientist e Facility Manager del Texas A&M Joint Microscopy Lab, continueranno a collaborare con il loro team in Germania (EMBL IC e Abberior Instruments) per determinare se le diverse molecole di carico - come le grandi subunità ribosomiali e l'mRNA - utilizzano percorsi di trasporto diversi o condividono un percorso comune. Esiste anche la possibilità di adattare MINFLUX per l'imaging in tempo reale nelle cellule viventi, che potrebbe fornire un quadro ancora più chiaro delle dinamiche di trasporto nucleare.

Questo studio, finanziato dal National Institutes of Health, offre una nuova prospettiva su come le cellule controllano in modo efficiente il traffico molecolare e fornisce indicazioni cruciali sul funzionamento delle cellule e sulle malattie. Il nucleo cellulare può essere una metropoli microscopica, ma grazie alla NPC, il suo sistema di controllo del traffico rimane notevolmente efficiente.