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Nuevos conocimientos sobre la estructura y función del complejo de poros nucleares revelados

Después de casi 20 años de trabajo, principalmente en la Fuente Avanzada de Fotones de Argonne, los investigadores tienen una imagen más clara del “guardián” del núcleo y una mejor idea de cómo funciona.

El núcleo de cada célula de nuestro cuerpo contiene muchas partes complejas. Uno de los más complicados se llama complejo de poros nucleares o NPC. Se compone de más de 1000 proteínas individuales y sirve como un guardián distintivo para el núcleo celular, la región unida a la membrana dentro de la célula que almacena su material genético. Cualquier cosa que entre o salga del núcleo debe pasar por el NPC en su camino.

Comprender cómo funcionan los NPC puede tener implicaciones importantes para la investigación en el cuidado de la salud. Los NPC no solo son el centro de operación de las células, sino que también están involucrados en diversas enfermedades. Las mutaciones en NPC son responsables de varios cánceres incurables, enfermedades neurodegenerativas y autoinmunes, como la esclerosis lateral amiotrófica (más conocida como enfermedad de Lou Gehrig o ELA) y afecciones cardíacas, como fibrilación auricular y muerte cardíaca prematura súbita. Además, muchos virus, incluidos los responsables del COVID-19, atacan y matan a los NPC durante su ciclo de vida.

“Probamos todos los trucos del libro para obtener esta estructura. Sin acceso a instalaciones de alto nivel como APS, no podríamos haber hecho esto”. — André Hoelz, Caltech

André Hoelz, profesor de química y bioquímica en Caltech, becario de la escuela del Instituto Médico Howard Hughes e investigador del Instituto de Investigación Médica Heredada, ha pasado más de 20 años estudiando y descifrando la estructura y función de los NPC, haciendo un uso extensivo de fuentes de fotones avanzados (APS). ), instalaciones de usuario Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ubicada en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE.

Ahora, en un par de artículos publicados en Science, “Arquitectura de la cara citoplasmática del poro nuclear” y “Arquitectura del andamio de conexión en el poro nuclear”, Hoelz y su equipo de investigación han revelado los resultados de su trabajo. : un mapa estructural completo de la cara externa de los NPC y una comprensión más profunda de los mecanismos por los cuales las proteínas especializadas actúan como moléculas adhesivas para mantener unidos a los NPC. Este resultado monumental es la culminación de casi 20 años de uso de rayos X ultrabrillantes para iluminar la estructura de los NPC, proteína por proteína.

Durante la mayor parte de ese tiempo, Hoelz y sus colegas han utilizado la línea de haz de biología estructural de los Institutos de Cáncer y Ciencias Médicas Generales (GM/CA) en APS. Hoelz y su equipo definieron su primera estructura en GM/CA en 2008 y desde entonces han sido habituales en las líneas de luz.

“El personal de GM/CA inicialmente se dio cuenta de que lo que estábamos haciendo no era solo una estructura, sino algo grande que requería un compromiso prolongado”, dijo Hoelz. “Acogieron el progreso inicial que ayudó con muestras desafiantes. Probamos todos los trucos de este libro para obtener esta estructura. Sin acceso a instalaciones de alto nivel como APS, no podríamos haber hecho esto”.

Los investigadores también aprovecharon la línea de luz del Equipo de Acceso Colaborativo del Noreste al comienzo de su investigación. También utilizaron la Fuente de Luz de Radiación Sincronizada de Stanford en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del DOE y la Fuente de Luz Sincronizada Nacional II en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del DOE.

Pequeños rompecabezas en 3D

Si bien los NPC generalmente se pueden considerar similares a las puertas, no son como los que encontrará en su vida cotidiana. Además de parecer una rosquilla con patas de araña, los PNJ no se abren ni cierran realmente porque se expanden y contraen.

“Es un poco como un hangar de aviones donde puedes arreglar un 747, y la puerta se abre para dejar entrar al 747, pero hay alguien parado allí que puede evitar que salga una canica cuando se abre la puerta”, dijo Hoelz.

Para mapear la estructura de esta intrincada máquina, Hoelz y sus colegas tuvieron que resolver un minúsculo rompecabezas en 3D, usando microscopía electrónica y cristalografía de rayos X en cada pieza del rompecabezas. Comenzaron cultivando las proteínas que componen los NPC y luego las probaron en pares para ver cuáles coincidían entre sí. Si se encontraran dos piezas del rompecabezas que coincidieran entre sí, los investigadores probarían las proteínas ahora combinadas contra una tercera hasta encontrar la siguiente pieza, y así sucesivamente.

Trabajar a través de las proteínas de esta manera finalmente resultó en el resultado final de su primer artículo: 16 rebanadas de proteínas repetidas ocho veces alrededor de las caras de los NPC como rebanadas de pizza.

Estos resultados complementan la investigación realizada por Martin Beck del Instituto Max Planck de Biofísica en Frankfurt, Alemania, cuyo equipo produjo un mapa que proporcionó los contornos del rompecabezas donde los investigadores colocaron las piezas. Para acelerar la finalización del rompecabezas de la estructura del NPC humano, Hoelz y Beck intercambiaron datos hace más de dos años y luego construyeron de forma independiente la estructura de todo el NPC.

“El mapa de Beck sustancialmente mejorado muestra mucho más claramente dónde debe ubicarse cada parte del NPC, para el cual determinamos su estructura atómica”, dijo Hoelz. “Es muy parecido al marco de madera que define los bordes de un rompecabezas”.

El equipo usó un proceso similar para determinar la estructura completa de lo que se conoce como un andamio de conexión NPC. Es una colección de proteínas que ayuda a mantener unidos a los NPC al mismo tiempo que proporciona la flexibilidad necesaria para abrirse y cerrarse, y ajustarse para adaptarse a las moléculas que pasan a través de ellos.

Hoelz compara un NPC con algo construido con piezas de Lego, pero que no siempre encaja. En cambio, están atados con bandas elásticas que los mantienen en su lugar mientras les permiten moverse un poco.

“Me refiero a estas piezas de pegamento sin estructura como ‘materia oscura de poros’”, dice Hoelz. “Este elegante arreglo de fideos espagueti lo reúne todo”.

Los rayos X iluminan el camino

En APS, Hoelz y su equipo utilizaron una técnica llamada cristalografía de rayos X para determinar docenas de estas estructuras. Esta técnica consiste en hacer crecer cristales de proteína y luego iluminar los cristales con una luz brillante de rayos X. Cuando la luz se difracta o se dispersa en diferentes direcciones, los detectores registran la posición y la intensidad de la luz y, a partir de esos datos, los científicos pueden recopilar información importante sobre los átomos que componen las proteínas.

Hoelz comenzó a trabajar en GM/CA en 2008, en asociación con Bob Fischetti de Argonne, líder de grupo y asesor de ciencias biológicas del director de APS. Una de las características de la línea de luz que hace posible el trabajo de Hoelz es la capacidad de cambiar el tamaño del haz de rayos X, hasta puntos muy pequeños. Esto le permite a Hoelz trabajar con cristales más pequeños, o cristales que no se difractan tan bien como otros, dijo.

“Si tiene un cristal grande que se difracta bien, es mejor iluminar todo el cristal”, dice Fischetti. “Pero si tiene uno más pequeño o uno más grande que no se difracta bien, puede usar el haz más pequeño para encontrar la parte del cristal que le dará los datos que necesita”.

Fischetti y sus colegas ganaron el premio R&D 100 en 2010 por diseñar un sistema que permite a los científicos elegir el tamaño del haz de rayos X. Llamó al trabajo de Hoelz “fenomenal”, y señaló que debido a su persistencia, ahora tenemos una imagen clara de una de las estructuras más grandes de la célula humana.

“Nuestro trabajo en GM/CA no sería posible sin las personas que lo hacen hoy”, dijo Hoelz. “Te tratan de ayudar en todo lo posible, y eso es lo importante. Las personas que trabajan allí son científicos altamente capacitados y son los héroes anónimos de todas las investigaciones que se realizan allí”.

Construyendo un gran salto adelante

En conjunto, los hallazgos de los dos artículos representan un avance en la comprensión de los científicos sobre cómo se construyen los NPC y cómo funcionan. Christopher Bley de Caltech, becario postdoctoral senior en investigación química y autor de ambos artículos, dijo que los hallazgos del equipo abren la puerta a más investigaciones.

“Estamos construyendo un marco dentro del cual ahora se puede hacer mucha experimentación”, dijo Bley. “Tenemos esta estructura compuesta ahora, y permite e informa futuros experimentos sobre la función NPC, o incluso la enfermedad. Hubo muchas mutaciones en los NPC que se asociaron con enfermedades terribles. Saber dónde están en la estructura y cómo se juntan puede ayudar a diseñar el próximo conjunto de experimentos para tratar de responder a la pregunta de qué hacen estas mutaciones”.

Hoelz también lo ve como evidencia del valor de la investigación empírica en biología estructural. Si bien las predicciones pueden ayudar, dice, no hay sustituto para hacer el trabajo y definir la estructura.

“No hay ambigüedad cuando la estructura se determina experimentalmente”, dijo. “Estos son datos difíciles. Certeza es certeza”.

Los dos artículos se publican en la edición de Science del 10 de junio de 2022. Además de Hoelz y Bley, los autores incluyen a Stefan Petrovic de Caltech, Si Nie, George W. Mobbs, Xiaoyu Liu, Anna T. Gres, Dipanjan Samanta, Thibaud Perriches , Karsten Thierbach, Bonnie Brown, Taylor A. Stevens, Sho Harvey, Ferdinand M. Huber, Daniel H. Lin, Aaron W. Tang, Emily J. Rundlet, Ana R. Correia y Alina Patke; Somnath Mukherjee y Anthony A. Kossiakoff de la Universidad de Chicago; Shane Chen, Saroj G. Regmi y Mary Dasso de los Institutos Nacionales de Salud; y Alexander F. Palazzo de la Universidad de Toronto.

Referencia: Bley CJ, Nie S, Mobbs GW, et al. La arquitectura de la cara citoplasmática del poro nuclear. Ciencias. 2022;376(6598):eabm9129. doi: 10.1126/ciencia.abm9129

Este artículo se ha vuelto a publicar a partir de los siguientes materiales. Nota: el material puede haber sido editado por su extensión y contenido. Para obtener más información, póngase en contacto con las fuentes citadas.

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