Kernporen in ihrem natürlichen Kontext

Untersuchung der Architektur von Kernporen in Hefezellen

2. September 2020

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von den Max-Planck-Instituten für Biophysik und Biochemie und vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie unter Leitung von Boris Pfander, Jan Kosinski und Martin Beck haben die 3D-Struktur von Kernporen in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Ihre Ergebnisse enthüllen die Architektur des Kernporenkomplexes in intakten Zellen und verbessern unser Verständnis für die darauf basierenden Lebensprozesse.

Kryotomographischer Schnitt einer Hefezelle (S. cerevisiae), der das Protein Nup116 fehlt und vier Stunden lang bei der nicht-permissiven Temperatur von 37°C gehalten wurde. Gestrichelte Rechtecke markieren die Positionen, die einer Strukturanalyse unterzogen wurden; rechts Kryo-Elektronenmikroskopie (KryoEM) Karten (grau) mit den dazugehörigen strukturellen Modellen (farbig).

Kernporenkomplexe (NPCs) bestehen aus einer hochkomplizierten Anordnung von mehr als 500 Proteinen. Hunderte von ihnen sind in die Doppelmembran eingebettet, die den Zellkern schützend umgibt. Sie fungieren als Tor, das den Ein- und Austritt von Molekülen reguliert. Eine wichtige Funktion der Kernporen besteht darin, den Export eines Moleküls namens mRNA (Boten-Ribonukleinsäure) aus dem Kern in das Zytoplasma zu regulieren, wo es den Zusammenbau von Proteinen steuert.

"Wir können nun besser einschätzen, wie die Kernpore in ihrem natürlichen Kontext funktioniert, wie sie instand gehalten oder recycelt wird", sagt Gruppenleiter Martin Beck. Die Forscher kombinierten Zellbiologie mit Computermodellierung und zellulärer Kryo-Elektronentomographie: letztere ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem hochauflösende 3D-Ansichten der molekularen Landschaft im Inneren einer Zelle erstellt werden können - dies führte zu grundlegenden neuen Erkenntnissen: "Wir fanden heraus, wie die 3D-Konfiguration des zytoplasmatischen Rings den Weg des mRNA-Exports ermöglicht", sagt Matteo Allegretti, einer der Erstautoren der Studie.

Den Lebenszyklus verstehen

Die Struktur des zytoplasmatischen Rings erfüllt noch eine weitere Funktion - er exponiert eine AIM-Domäne in das Zytoplasma. "Diese Domäne interagiert mit Proteinen, die den Prozess erleichtern, bei dem Kernporen von der Zelle abgebaut und durch neue ersetzt werden - ein Prozess, der als Autophagie bekannt ist", sagt Mitautor Florian Wilfling (Wilfling war einer der Wissenschaftler, die diesen Abbauprozess von Kernporen identifizierten; er wird seine Forschungsarbeiten am Max-Planck-Institut für Biophysik als Max-Planck-Forschungsgruppenleiter im Januar 2021 fortsetzen).

Wie genau Kernporen zusammengebaut und recycelt werden, war weitgehend unbekannt, aber diese Studie liefert wichtige erste Schritte zu einem besseren Verständnis dieser Mechanismen. "Mit dem Wissen aus zahlreichen Strukturen nähern wir uns dem Verständnis, wie sich Kernporen zusammensetzen und wie sich die Pore von den ersten Zellen mit einem Kern bis heute entwickelt hat", sagt Gruppenleiter Jan Kosinski, der die rechnerische Modellierung leitete.

Um den Zusammenbau der Kernporen besser zu verstehen, benutzten die Forscher einen Hefestamm, dem ein Protein namens Nukleoporin 116 (Nup116), das dabei eine wichtige Rolle spielt, fehlt. Der resultierenden Struktur fehlte der zytoplasmatische Ring. Die Wissenschaftler schlussfolgern, dass diese unvollständigen Strukturen Zwischenstadien des Zusammenbaus zeigen. Die Untersuchung dieses Prozesses ist wichtig, da Fehler beim Zusammenbau der Kernporen mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden.

Die Studie lieferte detaillierte Kenntnisse über die Strukturen von Kernporen, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit auf verschiedene Weise nutzen können, um beispielsweise die Funktion der Kernporen zu untersuchen, wie Moleküle in den Kern hinein oder aus ihm heraus transportiert werden oder wie Viren in den Kern gelangen können. Viele Viren wie der Influenza-Erreger und humaner Immundefizienz-Virus (HIV) müssen ihre genetische Information durch den Kernporenkomplex in den Zellkern transportieren, um eine Zelle zu infizieren. "Es zeigt der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch, dass die Untersuchungen der Struktur von Makromolekülen direkt in den Zellen durchgeführt werden müssen", sagt Matteo. Grundlegende Lebensprozesse wie Kerntransport und Autophagie können durch die Kombination von Technologien wie Kryo-Elektronentomographie mit Strukturmodellierung, Lichtmikroskopie und Biochemie verstanden werden.

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