به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، منافذ هسته‌ای (NPC) دروازه هسته‌ای است که امکان حمل و نقل بیشتر بین نوکلئوپلاسم و سیتوپلاسم را فراهم می‌کند. منافذ هسته‌ای به غشای داخلی و خارجی هسته متصل می‌شود و کانال‌هایی را تشکیل می‌دهد که برای انتقال پروتئین‌ها و RNA کار می‌کنند. منافذ کوچک درون هسته سلول برای پیری سالم بسیار مهم هستند، زیرا DNA را محافظت و حفظ می‌کنند. گروهی از محققان از دپارتمان بیوفیزیک نظری در موسسه بیوفیزیک ماکس پلانک در فرانکفورت آلمان و گروهی دیگر از مرکز بیوفیزیک مصنوعی اختلال پروتیین در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز به معنای واقعی، کلمه حفره‌ای را در درک ساختار و عملکرد این منافذ هسته‌ای پر کرده‌اند.

محافظان مولکولی

در مطالعه خود، دانشمندان رفتار پروتئین‌های ذاتاً بی نظم واقع در مرکز منافذ را روشن کردند. آن‌ها دریافتند که این پروتئین‌ها یک سد متحرک و اسپاگتی مانند را تشکیل می‌دهند. این سد به عوامل سلولی ضروری اجازه عبور می‌دهد و در عین حال ویروس‌ها و سایر پاتوژن‌های مضر را مسدود می‌کند. سلول‌های انسانی از مواد ژنتیکی خود در داخل هسته سلول محافظت می‌کنند که توسط غشای هسته‌ای محافظت می‌شود. به عنوان مرکز کنترل سلول، هسته باید بتواند مولکول‌های پیام رسان مهم، متابولیت‌ها یا پروتئین‌ها را با بقیه سلول مبادله کند. بنابراین حدود 2000 منفذ در غشای هسته‌ای ساخته شده است که هر کدام از حدود 1000 پروتئین تشکیل شده است. برای دهه‌ها، محققان مجذوب ساختار و عملکرد سه بعدی این منافذ هسته‌ای شده‌اند که به عنوان محافظ ژنوم عمل می‌کنند، موادی که برای کنترل سلول لازم هستند، اجازه عبور دارند، در حالی که پاتوژن‌ها یا دیگر مواد مخرب DNA از ورود منع می‌شوند. بنابراین منافذ هسته‌ای را می‌توان به عنوان محافظان مولکولی در نظر گرفت که هر کدام هزاران بازدید کننده را در هر ثانیه بررسی می‌کنند. فقط کسانی که بلیط ورودی دارند اجازه عبور دارند. چگونه منافذ هسته‌ای این وظیفه عظیم را مدیریت می‌کنند؟ حدود 300 پروتئین متصل به داربست منافذ مانند شاخک‌ به عمق دهانه مرکزی بیرون زده‌اند. تا پیش از این، محققان نمی‌دانستند این شاخک‌ها چگونه چیده شده‌اند و چگونه مزاحمان را دفع می‌کنند. این به این دلیل است که این پروتئین‌ها ذاتاً بی‌نظم هستند و فاقد ساختار سه بعدی تعریف شده هستند. آن‌ها انعطاف پذیر هستند و به طور مداوم در حال حرکت هستند، مانند اسپاگتی در آب جوش.

ترکیب میکروسکوپ و شبیه سازی‌های کامپیوتری

از آنجایی که این پروتئین‌های ذاتاً بی‌نظم (IDP) دائماً در حال تغییر ساختار خود هستند، رمزگشایی معماری سه بعدی و عملکرد آن‌ها برای دانشمندان دشوار است. بیشتر تکنیک‌های تجربی که محققان برای تصویربرداری از پروتئین‌ها استفاده می‌کنند، فقط با ساختار سه بعدی تعریف‌شده کار می‌کنند. تا کنون، منطقه مرکزی منفذ هسته‌ای به عنوان یک سوراخ نشان داده شده است، زیرا تعیین IDP در دهانه ممکن نبود. تیمی ‌به رهبری گرهارد‌هامر، مدیر مؤسسه بیوفیزیک ماکس پلانک، و ادوارد لمکه، پروفسور بیوفیزیک مصنوعی در دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز، و مدیر کمکی مؤسسه زیست‌شناسی مولکولی ماینز، اکنون از ترکیب جدیدی از زیست شناسی مصنوعی، میکروسکوپ فلورسانس چندبعدی و شبیه سازی‌های مبتنی بر کامپیوتر برای مطالعه IDP منافذ هسته‌ای در سلول‌های زنده استفاده کرده‌اند.  لمکه توضیح می‌دهد: "ما از ابزارهای دقیق مدرن برای علامت‌گذاری چندین نقطه از پروتئین‌های اسپاگتی‌مانند با رنگ‌های فلورسنت استفاده کردیم که توسط نور تحریک می‌شوند و در میکروسکوپ تجسم می‌شوند. بر اساس الگوهای درخشش و مدت زمان، ما توانستیم استنباط کنیم که پروتئین‌ها چگونه باید چیده شوند."‌ هامر می‌افزاید: "ما سپس از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی برای محاسبه نحوه سازماندهی فضایی IDPها در منافذ، نحوه تعامل آن‌ها با یکدیگر و نحوه حرکتشان استفاده کردیم. برای اولین بار، ما می‌توانیم دروازه مرکز کنترل سلول‌های انسانی را تجسم کنیم."

IDP

IDP‌ها ماکرومولکول‌های انعطاف پذیر و پویا هستند که فاقد ساختار سوم ثابت هستند و می‌توانند طیف وسیعی از ترکیبات را برای انجام عملکردهای مختلف در سراسر سلول اتخاذ کنند. IDP‌ها برای فیزیولوژی انسان بسیار مرتبط هستند و نقش اصلی، از جمله، در بیماری‌های پیری عصبی و سرطان دارند. IDPها همچنین بازیگران کلیدی در جداسازی فاز هستند و در تشکیل میعانات زیست مولکولی نیز نقش دارند. در NPC با اندازه نانو، که وزن مولکولی کل آن در پستانداران تقریباً 120 میلی‌دالتون است، صدها IDP غنی شده با باقی مانده‌های فنیل آلانین (F) و گلیسین (G) وجود دارد که به عنوان FG-NUPs1 شناخته می‌شوند. FG-NUPها یک مانع نفوذپذیری در کانال مرکزی NPC تشکیل می‌دهند که حمل و نقل نوکلئوسیتوپلاسمی را با محدود کردن عبور محموله‌های بزرگ تنظیم می‌کند، مگر اینکه توالی محلی سازی هسته‌ای یا توالی صادرات هسته‌ای را ارائه دهد. گیرنده‌های حمل و نقل هسته‌ای می‌توانند به طور خاص این توالی‌ها را تشخیص دهند و به طور موثر محموله را از طریق موانع عبور دهند. با پیشرفت های اخیر در توموگرافی کرایو الکترون ، کریستالوگرافی، پروتئومیکس و پیش بینی ساختار مبتنی بر هوش مصنوعی (AI)، تقریبا ۷۰ میلی دالتون از داربست NPC که کانال مرکزی را احاطه کرده است، با تقریب نزدیک در سطح اتمی حل شده است.

شبکه پروتئینی پویا به عنوان یک مانع انتقال

شاخک‌های موجود در منافذ حمل و نقل رفتار کاملاً متفاوتی نسبت به آنچه قبلاً می‌دانستیم به خود می‌گیرند، زیرا آن‌ها با یکدیگر و با محموله تعامل دارند. آن‌ها به طور دائم مانند اسپاگتی فوق الذکر در آب جوش حرکت می‌کنند. بنابراین، در مرکز منافذ، هیچ حفره‌ای وجود ندارد، بلکه سپری از مولکول‌های تکان‌دهنده و اسپاگتی‌مانند وجود دارد. ویروس‌ها یا باکتری‌ها برای عبور از این غربال بسیار بزرگ هستند. با این حال، سایر مولکول‌های سلولی بزرگ مورد نیاز در هسته می‌توانند عبور کنند زیرا سیگنال‌های بسیار خاصی را حمل می‌کنند. چنین مولکول‌هایی دارای یک بلیط ورودی هستند، در حالی که پاتوژن‌ها معمولاً ندارند. مارتین بک، همکار هامر در موسسه بیوفیزیک ماکس پلانک می‌افزاید: " با از بین بردن پر شدن منافذ، ما وارد مرحله جدیدی در تحقیقات حمل و نقل هسته‌ای می‌شویم. درک اینکه چگونه این منافذ، حمل و نقل یا محموله را مسدود می‌کنند به ما در شناسایی خطاها کمک می‌کند. به هر حال، برخی از ویروس‌ها با وجود موانع، باز هم وارد هسته سلول می‌شوند. با ترکیبی از روش‌ها، اکنون می‌توانیم IDPها را با جزئیات بیشتری مطالعه کنیم تا دریابیم چرا آن‌ها برای برخی عملکردهای سلولی ضروری هستند، علیرغم اینکه مستعد خطا هستند. در واقع، IDPها تقریباً در همه گونه‌ها یافت می‌شوند، اگرچه خطر تشکیل توده‌ها در طول فرآیند پیری را دارند که می‌تواند منجر به بیماری‌های تخریب‌کننده عصبی مانند آلزایمر شود. محققان قصد دارند با یادگیری نحوه عملکرد IDP‌ها، داروها یا واکسن‌های جدیدی را توسعه دهند که از عفونت‌های ویروسی جلوگیری کرده و به پیری سالم سلول کمک می‌کنند.

پایان مطلب./