Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
С. Петранек
«Как мы будем жить на Марсе». Глава из книги


М. Кронгауз
«Русский язык на грани нервного срыва. 3D». Главы из книги


Б. Штерн
Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь


Р. Фишман
Истории мутантов: гомеозисные гены


С. Мац
Искривленное зеркало


Л. Полищук
Почему вымерли мамонты и гибнут сайгаки: история о вкладах


В. Кузык
Нос на батарейках


Д. Мамонтов
Взглянуть инопланетянам в глаза


А. Бердников
Машинная точность


Р. Фишман
Великий уравнитель







Главная / Новости науки версия для печати

Уточнен механизм ядерного транспорта


Квантовые точки входят в ядро. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Квантовые точки входят в ядро. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Клеточное ядро окружено оболочкой (см. Nuclear envelope), и эта оболочка пронизана порами, сквозь которые происходит транспорт из цитоплазмы в ядро и обратно. Маленькие молекулы свободно проходят сквозь пору, а молекулам побольше для этого необходима помощь специальной транспортной системы. Чтобы понять, как работает эта система, исследователи из Калифорнийского университета и их коллеги провели серию экспериментов с квантовыми точками; они должны были восприниматься транспортными белками как грузы, которые надо перенести в ядро. Выяснилось, что импорт веществ в ядро состоит из нескольких стадий; все эти стадии обратимы, кроме одной, последней, — выброса груза внутрь ядра. Кроме того, эксперименты позволили уточнить саму структуру поры и прояснить роль некоторых белков, участвующих в ядерном транспорте.

Транспортом веществ в ядро занимается белок импортин (см. Importin). Его субстраты помечены специальной последовательностью, которая называется nuclear localization signal, или NLS. Соединившись с субстратом, импортин «садится» на ядерную пору и пролезает сквозь канал на внутриядерную сторону мембраны. Там с ним связывается маленький белок ГТФаза Ran в комплексе с ГТФ; из-за этого комплекс импортин–субстрат разваливается и субстрат оказывается в ядре. А импортин вместе с Ran-ГТФ идет назад в цитоплазму. Там Ran гидролизует ГТФ до ГДФ под действием специального активирующего белка, отделяется от импортина, подхватывается белком-переносчиком под названием NTF2 и через ядерную пору отправляется назад в ядро. Ядерный белок RanGEF заменяет ГДФ на ГТФ, и после этого Ran снова может связываться с импортином.

Квантовые точки, которые использовались в обсуждаемых экспериментах, были достаточно ярки, чтобы наблюдать за ними с нанометровой точностью в миллисекундном разрешении — и это отличало их от обычных флуорофоров и давало ученым возможность изучить ядерный транспорт с невиданной прежде тщательностью. Каждая точка несла на себе сайты связывания для одной из субъединиц импортина — импортина β; после того как к ней присоединялось около 40 молекул этого белка, ее диаметр составлял 30 ± 6 нм. Получалось, что данные квантовые точки больше, чем одиночные белковые молекулы, идущие из цитоплазмы в ядро, но сравнимы по размеру с другими субстратами, например с некоторыми вирусными капсидами, которые могут целиком, не разбираясь на кусочки, проходить сквозь ядерную пору.

Исследования проводились in vitro, в них участвовали 849 квантовых точек. Все они смогли проникнуть в ядерную пору, но попасть в ядро удалось только 177. Ученые выбрали 56 траекторий (и «удачных», и «неудачных») с самым лучшим разрешением и исследовали их подробнее.

Выяснилось, что некоторые точки перед тем, как попасть в пору, «топчутся» возле нее довольно долгое время. Исследователи предположили, что они связываются с цитоплазматическими филаментами (см. Protein filament), которые окружают пору и направляют груз в нужную сторону. Таким образом, отметив участки наиболее частого «зависания» точек, можно определить местоположение этих филаментов.

Оказавшись внутри канала поры, грузы могли либо пройти его насквозь и проникнуть в ядро («счастливчики»), либо провести там некоторое время, а потом всё же вернуться назад в цитоплазму. Этих последних «неудачников» ученые разделили на две группы — некоторые проходили внутри канала совсем маленькое расстояние (меньше 30 нм) и сразу «выплевывались» назад в цитоплазму («ранние неудачники»), а другим удавалось проникнуть довольно глубоко (до 60 нм) по каналу по направлению к ядру («поздние неудачники»). Изучив траектории движения точек внутри канала поры, исследователи смогли уточнить размеры этого канала — судя по всему, он составляет 55 нм в ширину и 68 нм в длину.

Карта плотности позиций груза внутри канала поры для «счастливчиков» (Successful), всех «неудачников» вместе (All aborted), «ранних неудачников» (Early aborts) и «поздних неудачников» (Late aborts). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Карта плотности позиций груза внутри канала поры для «счастливчиков» (Successful), всех «неудачников» вместе (All aborted), «ранних неудачников» (Early aborts) и «поздних неудачников» (Late aborts). Транспортная ось Х (Transport axis X) проходит посередине канала поры и начинается на его цитоплазматическом краю, в сторону ядра направлена ее положительная полуось, а в сторону цитоплазмы — отрицательная. Transverse axis — ось, перпендикулярная оси Х и пересекающая Х в нуле (на цитоплазматическом краю поры). Синий цвет показывает редкую плотность грузов в данной области, а красный — высокую. Видно, что «ранние неудачники» толпятся на гораздо более коротком участке в начале канала (там, видимо, есть сужение, дальше которого они не могут проникнуть). Кроме того, измерив область, в которую грузы могут проникнуть (~25 × 38 нм), и взяв средний радиус груза 15 нм, можно вычислить размеры канала поры — ~55 × 68 нм (вычисленная таким образом длина канала показана на картинке горизонтальными пунктирными линиями). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Надо сказать, что некоторые «счастливчики» и «поздние неудачники» часто вначале вели себя как «ранние неудачники» и несколько раз «выплевывались» назад в цитоплазму, не пройдя и половины канала. Исследователи предположили, что в начале поры есть сужение, которое некоторые грузы, имеющие размер на границе дозволенного, не могут одолеть сразу. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые запустили в канал квантовые точки большего диаметра. Эти грузы гораздо чаще становились «ранними неудачниками», что подтверждало наличие в начале канала сужения (судя по всему, где-то до 40 нм).

Один из главных вопросов, стоящих перед исследователями, изучающими транспорт веществ через пору,  — двигается ли груз внутри канала целенаправленно или «мечется» по законам диффузии? Рассмотрев передвижения квантовых точек внутри канала, ученые отмели предположения о направленном движении груза и заключили, что он передвигается по законам аномальной субдиффузии (если упрощать, то это почти диффузия, просто проходящая неравномерно в разных направлениях и более вялая, чем обычная). При этом вдоль канала частицы движутся гораздо свободнее, чем поперек.

Перед исследователями стоял еще один важный вопрос — как влияет количество присоединенных импортинов на передвижение груза? Будет ли груз, на который «налипло» больше импортиновых молекул, проходить сквозь пору легче благодаря лучшему сродству к поверхности поры — или, наоборот, тяжелей, потому что импортины будут постоянно связываться с белками поры и тормозить его? Чтобы выяснить это, ученые создали квантовые точки с примерно вдвое меньшим количеством сайтов связывания для импортина β. Оказалось, что такие точки «зависают» в канале поры гораздо дольше, чем контрольные. Иными словами, чем с меньшим количеством молекул импортина связался груз, тем тяжелее ему будет пройти через пору, и наоборот.

И последний вопрос: в какой момент в игру включается Ran? Как этот белок влияет на передвижения груза внутри канала и влияет ли вообще? Чтобы найти ответ на этот вопрос, исследователи записали траектории передвижения квантовых точек в отсутствие Ran. Оказалось, что его отсутствие никаким образом не влияет на перемещения груза в поре и уж тем более в цитоплазме. Единственное отличие, которое обнаружили ученые, — это что без Ran грузы не в состоянии совершить последний шаг и попасть из канала поры внутрь ядра. Это не только проясняет роль Ran, но и показывает, что канал поры функционально ассиметричен — в отсутствие Ran он с гораздо большей вероятностью «выплюнет» груз назад в цитоплазму, чем позволит ему оказаться в ядре. Но вот как так получается, что груз может без проблем вернуться в цитоплазму, а в ядро пролезть не может — пока что совершенно неясно. Непонятен до конца и механизм работы Ran. Будем надеяться, что дальнейшие исследования смогут разгадать эти загадки.

Ядерный транспорт. Груз может прямо пойти в канал поры либо вначале соединиться с филаментами (волнистые линии), которые его туда направят. После этого ему нужно преодолеть сужение в начале канала (голубые выступы), а затем добраться до молекул Ran (красная полоса), которые помогут ему попасть в ядро. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Ядерный транспорт. Груз может прямо пойти в канал поры либо вначале соединиться с филаментами (волнистые линии), которые его туда направят. После этого ему нужно преодолеть сужение в начале канала (голубые выступы), а затем добраться до молекул Ran (красная полоса), которые помогут ему попасть в ядро. Transport direction — направление транспорта. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Резюмируя полученные данные, исследователи предложили разделить ядерный транспорт на несколько стадий:

1) Филаменты захватывают груз в цитоплазме и направляют его к каналу поры. Эта стадия необязательная, ее наличие или продолжительность не влияют на дальнейшую судьбу груза — просто филаменты позволяют расширить область, из которой плавающий по цитоплазме груз может попасть в ядро.

2) Груз проходит через сужение в начале канала. Если размеры груза слишком велики, то на этой стадии путешествие в ядро для него заканчивается.

3) Грузы аномально субдиффундируют внутри канала, причем чем больше импортинов «облепляет» груз, тем легче ему передвигаться.

4) И наконец, последний шаг — с помощью Ran груз попадает в полость ядра.

Первые три этапа обратимы, а последний — необратим. Если уж груз попал в ядро, то там он и останется. Разве что он каким-то образом окажется помечен сигналом ядерного экспорта (см. Nuclear export signal). Но это — совсем другая история.

Источник: Alan R. Lowe, Jake J. Siegel, Petr Kalab, Merek Siu, Karsten Weiskweis, Jan T. Liphardt. Selectivity mechanism of the nuclear pore complex characterized by single cargo tracking // Nature. Doi:10.1038/nature09285. Published online 1 September 2010.

Вера Башмакова


Комментировать



Последние новости: Молекулярная биологияВера Башмакова

26.08
Расшифрована структура комплекса I дыхательной цепи митохондрий быка
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
12.04
Рибоза и другие сахара могут синтезироваться в частицах межзвездного льда под действием ультрафиолетового излучения
1.04
Ботаники вырастили опаловые цветы
19.02
Протеинкиназа М-дзета «закрыта»?
12.01
Локализацию метастазов определяют интегрины опухолевых экзосом
10.09
Родственные интернейроны у эмбрионов мышей расселяются по переднему мозгу независимо друг от друга
31.08
Серотонин матери определяет тип поведения молодой улитки
13.08
Белок глипикан-1 в экзосомах — перспективный маркер для ранней диагностики рака поджелудочной железы
30.07
Фермент лизилоксидаза создает в костях «ниши» для метастазов

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия