Novas imagens revelam os segredos do controlo do tráfego celular
Os investigadores da Universidade A&M do Texas estão a trabalhar com especialistas do Centro de Imagiologia do EMBL para descobrir como as moléculas navegam através do complexo de poros nucleares
Tal como as cidades têm de controlar cuidadosamente o tráfego automóvel que entra e sai do centro da cidade, as células regulam o movimento das moléculas que entram e saem do núcleo. Esta metrópole microscópica depende de intrincadas portas de entrada - complexos de poros nucleares (NPCs) - no interior do invólucro nuclear para controlar o tráfego molecular. Uma nova investigação da equipa de Siegfried Musser, da Faculdade de Medicina da Universidade A&M do Texas, esclarece o modo como este sistema funciona com uma seletividade e um controlo requintados - descobertas que poderão conduzir a novos conhecimentos sobre doenças como as doenças neurodegenerativas e o cancro.
Investigadores da Texas A&M University lançaram recentemente uma nova luz sobre a função dos complexos de poros nucleares (NPCs) - intrincadas portas celulares que controlam o movimento das moléculas para dentro e para fora do núcleo. Para o efeito, utilizaram a instalação MINFLUX no Centro de Imagiologia do EMBL para captar imagens de NPCs, como se mostra à direita. Na foto da esquerda estão Siegfried Musser (esquerda) e Abhishek Sau (direita), que lideraram o estudo. Crédito: Mathew Baughman/Texas A&M Health Marketing and Communications (à esquerda) e Sebastian Schnorrenberg/EMBL (à direita)
Musser e a sua equipa têm estudado a forma como as moléculas se movem rápida e eficazmente através dos poros da membrana dupla que envolve o núcleo da célula sem colidir ou bloquear. A equipa publicou recentemente um estudo na revista Nature que fornece novos conhecimentos sobre o transporte molecular.
O estudo exigiu uma técnica de imagem avançada denominada MINFLUX, que foi fornecida pelo EMBL Imaging Centre (IC).
Utilizando o MINFLUX, os investigadores seguiram os movimentos moleculares em milissegundos e em 3D a uma escala sem precedentes: cerca de 100 000 vezes mais pequena do que a largura de um cabelo humano. Os seus resultados mostram que a importação (o processo pelo qual as moléculas entram no núcleo) e a exportação (o processo pelo qual as moléculas saem do núcleo) ocorrem em vias sobrepostas dentro do complexo do poro nuclear. Este facto põe em causa uma hipótese anterior de que estes processos poderiam ocorrer em vias separadas.
Um sistema de transporte surpreendente
"Quando começámos, considerámos duas possibilidades", explica Musser. "A primeira é que a importação e a exportação utilizam vias separadas, evitando o risco de congestionamento, e a segunda é que o transporte ocorre através do mesmo canal, mas as colisões são evitadas quando as moléculas manobram à volta umas das outras.
Os seus últimos resultados apontam para o segundo cenário. As moléculas deslocam-se através de canais estreitos em ambas as direcções e serpenteiam à volta umas das outras, em vez de seguirem uma autoestrada dividida. Além disso, utilizam apenas uma pequena secção transversal do diâmetro do poro e deslocam-se perto das paredes do canal e não no centro. Mais surpreendente ainda é o facto de o movimento no interior do NPC ser cerca de 1000 vezes mais lento do que numa solução aberta - como se fosse um xarope de ácer - devido a uma rede de proteínas desorganizadas que obstruem o poro.
"Este é o pior cenário possível - tráfego em ambas as direcções em canais mais estreitos", disse Musser. "O que descobrimos foi uma combinação inesperada destas possibilidades. Portanto, não sabemos a resposta completa e é mais complicado do que pensámos inicialmente.
Evitar engarrafamentos
Apesar do movimento lento, o transporte de NPCs não parece ser afetado por multidões, uma vez que parece evitar com sucesso os engarrafamentos.
"Os NPCs podem ter sido concebidos de forma a não terem de funcionar na sua capacidade máxima", disse Musser. "Só isso poderia limitar os efeitos nocivos da concorrência e do congestionamento.
Em vez de passarem diretamente pelo centro do NPC, as moléculas parecem mover-se através de um dos oito canais de transporte diferentes, cada um confinado a um único raio dentro do anel periférico, sugerindo um mecanismo estrutural que ajuda a regular o tráfego.
"Há muito que se observa um 'tampão central' nos poros nucleares de levedura, mas a natureza deste material permanece desconhecida", disse Musser. "Nos seres humanos, esse 'tampão central' não foi facilmente observado, mas a compartimentação funcional é uma possibilidade muito real e o centro do poro pode ser a via principal para a exportação de ARNm".
Observação de engarrafamentos à nanoescala
Para visualizar o movimento das moléculas através dos NPCs, os investigadores precisavam de um método que lhes permitisse seguir moléculas individuais com alta resolução ao longo do tempo. De acordo com Sebastian Schnorrenberg, especialista em aplicações do EMBL IC, o MINFLUX é atualmente o método de microscopia ótica que oferece a mais alta resolução espacial e temporal e é até dez vezes mais preciso do que os métodos anteriores. Permite também aos investigadores seguir as moléculas durante muito mais tempo, em comparação com outras técnicas de microscopia.
"Isto significa que conseguimos obter significativamente mais pontos de dados e alcançar uma maior precisão no rastreio das moléculas de carga do que com as tecnologias anteriores", afirma Schnorrenberg. Embora o grupo de Musser tenha publicado anteriormente estudos utilizando métodos convencionais de rastreio de partículas únicas, o MINFLUX permitiu-lhes analisar o processo de importação/exportação com muito mais pormenor e obter novos conhecimentos biológicos.
"Para mim, pessoalmente, foi um dos projectos de utilizador tecnologicamente mais exigentes em que alguma vez trabalhei", afirma Schnorrenberg. "Ao longo do projeto, tivemos de resolver diferentes problemas e desenvolver novas formas de combinar diferentes abordagens, algumas das quais nunca tínhamos experimentado antes."
Os investigadores foram apoiados no processamento e análise dos dados MINFLUX por Ziqiang Huang, Especialista em Análise de Imagem no EMBL IC. "O MINFLUX oferece a possibilidade de seguir o transporte de poros nucleares com resolução espacial nanométrica e resolução temporal de milissegundos", disse Huang.
"Este projeto é também um excelente exemplo de onde queremos levar o nosso serviço no EMBL IC a longo prazo", disse Schnorrenberg. "O MINFLUX não só permite o rastreio de moléculas individuais nas células, como também pode, teoricamente, ser utilizado para visualizar alterações estruturais nas proteínas, de modo a podermos observar as proteínas em ação. Pessoalmente, acho isso extremamente excitante".
Impacto nas doenças e investigação futura
O NPC desempenha um papel crucial na função celular e a sua disfunção tem sido associada a numerosas doenças, incluindo doenças cerebrais progressivas como a esclerose lateral amiotrófica (ELA), a doença de Alzheimer e a doença de Huntington. Além disso, sabe-se que o aumento das taxas de tráfico de NPC é importante para o crescimento do cancro. Embora a seleção de regiões específicas de NPC possa ser uma estratégia terapêutica potencial para desobstruir os poros ou reduzir as taxas de tráfico, Musser adverte que o tráfico de NPC é uma função celular fundamental e que a interferência em diferentes aspectos da função pode conduzir a efeitos secundários significativos.
"É importante distinguir entre os efeitos que ocorrem no poro (transporte) e os efeitos que ocorrem fora do poro (montagem e desmontagem do complexo de transporte)", diz Musser. "Suspeito que a maioria das ligações entre o transporte nuclear e a doença se enquadram na última categoria, mas isso não significa que seja o caso para todas elas, e certamente não para algumas." Por exemplo, as mutações no gene c9orf72, que está associado à ELA e à demência frontotemporal, podem levar a agregados que bloqueiam os NPCs.
Olhando para o futuro, Musser e o seu principal colaborador, Abhishek Sau, PhD, Cientista Assistente de Investigação e Gestor de Instalações do Laboratório Conjunto de Microscopia da Texas A&M, continuarão a colaborar com a sua equipa na Alemanha (EMBL IC e Abberior Instruments) para determinar se diferentes moléculas de carga - como as grandes subunidades ribossómicas e o mRNA - utilizam diferentes vias de transporte ou partilham uma via comum. Existe também a possibilidade de adaptar o MINFLUX para obter imagens em tempo real em células vivas, o que poderia fornecer uma imagem ainda mais clara da dinâmica do transporte nuclear.
Este estudo, financiado pelo National Institutes of Health, oferece uma nova perspetiva sobre a forma como as células controlam eficazmente o tráfego molecular e fornece informações cruciais sobre o funcionamento das células e as doenças. O núcleo da célula pode ser uma metrópole microscópica, mas graças ao NPC, o seu sistema de controlo de tráfego permanece notavelmente eficiente.
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