Huvudkontoret för en eukaryot cell är kärnan, och de flesta av cellens information och instruktioner lagras där i form av DNA (Deoxyribonucleic acid). DNA, som är vriden, rullad och buntad i en två meter lång kedja, tillsammans med proteinmolekyler, utgör kromatinfibrerna som ligger inuti kärnan. I åratal, forskare var nyfikna på hur dessa komponenter är organiserade. Hur är det möjligt att proteiner som är nödvändiga i biokemiska reaktioner rör sig effektivt inom kärnan full av DNA? Nyligen genomförda studier har äntligen löst mysteriet. Fynd som beskriver det i detalj publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters den 21 december, 2020.

Molekyler i en trång kärna

Kärnan i varje cell döljer en två meter lång kedja av en mest fantastiskt och unik molekyl:DNA. Tillsammans med histoner och olika besläktade proteiner, DNA bygger upp en kromatinramverk fylld med en viskös vätska som uppvisar utmärkt molekylär sammansättning. I årtionden, molekylernas rörlighet i kärnan utforskades inte tillräckligt, men den senaste utvecklingen har förändrat denna status quo. Tack vare fördjupad forskning från en grupp forskare från Institute of Physical Chemistry of the Polish Academy of Sciences (IPC PAS) under ledning av professor Robert Hołyst, molekylernas rörlighet i längdskalor från enstaka till tiotals nanometer i kärnan presenteras i detalj.

En molekylär stormarknad

På grund av sin lilla storlek, man kan anta att kärnan har en enkel struktur och en slumpmässig molekylfördelning. Så är det inte alls. Kärnan har en otroligt komplex och finjusterad layout. DNA liknar inte en rörig härva av spaghetti; den packas effektivt in i kompakta strukturer. Även kärnans nanoskala viskositet bestämmer rörligheten för de enskilda objekten inuti. För att bättre visualisera hur välorganiserat allt detta är, kärnan kan beskrivas som en stormarknad. Kromatinfibrerna fungerar som hyllor, innehar ett sortiment av nödvändig genetisk information (dvs. DNA) precis som butikshyllorna är fyllda med produkter. Dessa hyllor tar inte upp hela utrymmet, utan snarare separeras de inom ett gångliknande avstånd som fungerar som en kanal. Människorna som korsar gångarna i specifika mönster när de handlar kan jämföras med proteinmolekylerna som rör sig något slumpmässigt inom kärnans kanaler enligt reglerna för brunisk rörelse. Oavsett hur trångt gången blir, människor hittar alltid ett sätt att gå förbi varandra, upprätthålla ett avstånd när de går. Molekylerna som korsar molekylära kanaler gör detsamma utan trafikproblem på väg. Detta gör att varje molekyl kan resa effektivt, upprätthålla ordningen i en stormarknad.

Viskositetspåverkan

Molekylerna som finns i de eukaryota cellerna har olika storlekar. Till exempel, joner är subnanometer i storlek, proteinradier är vanligtvis få nanometer; en nukleosoms radie är cirka 5,5 nm, medan hopfällda kromatinfibrer har en radie av cirka 15 nm. Vidare, kondenserade öglor av kromatin bildar kompakta strukturer på högre nivå med en radie på cirka 150 nm. För att förstå deras rörlighet i kärnan, professor Hołysts team föreslog att placera objekt i nanometerstorlek som täcker hela spektret av naturliga komponenter längdskalor som finns i kärnan. Polymerer, proteiner, och nanopartiklar med radie från 1,3 till 86 nm in beaktades.

För att se denna spännande organisation på nanoskala nivå, specifika molekylers rörlighet studerades med hjälp av icke-invasiva tekniker som fluorescenskorrelationsspektroskopi (FCS) och rasterbildkorrelationsspektroskopi (RICS). Tack vare ämnen som GFP (grönt fluorescerande protein) eller de rodaminbaserade nanopartiklarna i nanomolär koncentration, det var möjligt att observera rörligheten för speciella molekyler och bestämma nukleoplasmviskositeten utan att orsaka någon störning av cellulär aktivitet. Dessa tekniker gör det möjligt för forskare att undersöka även de mest mindre förändringarna på molekylär nivå. Rörligheten för stora nanopartiklar reducerades med så mycket som 6 gånger jämfört med diffusionen i ett vattenhaltigt medium.

Dock, den typiska proteinstorleksmolekylens diffusion reducerades bara 2-3 gånger. Rörligheten minskar drastiskt när radien för injicerade föremål är större än 20, mer betydelse för uppskattningar av diffusionskoefficienten, det är möjligt att titta närmare på molekylernas rörelse och interaktion som sker mellan särskilda objekt i kärnans kanaler och i den packade strukturen inuti kärnan. Dessa mätningar utökar vår nuvarande förståelse för kärnans struktur. Att ha en god förståelse för komplexiteten hos kanalerna i kärnor är avgörande eftersom det direkt bidrar till vår kunskap om hur stora biostrukturer, kanske inkluderande den närmaste framtidens medicin, transporteras inuti cellen.

Den första författaren, dr. Grzegorz Bubak anmärkningar, "Våra experiment avslöjade att eukaryota cellkärnor perkoleras av ~ 150 nm breda interkromosomala kanaler fyllda med den vattenhaltiga utspädda proteinlösningen med låg viskositet."

Studierna som kvantifierar trängseln i cellkärnor avslöjar att de flesta molekyler fritt kan passera genom denna komplexa struktur. Baserat på experiment som stöds av teoretiska modeller, det var möjligt att uppskatta kanalernas bredd (~ 150 nm) mellan kromatinstrukturen. Kärnkanalerna kan utgöra så mycket som 34% av kärnornas volym som är cirka 240 fL. Om de var smalare, kromatinfibrerna skulle vara mer dispergerade, omöjliggöra molekylernas effektiva rörelse inuti. Det är fascinerande att kärnan kan innehålla så stora mängder DNA och andra kemiska element utan att störa molekylernas migration. Detta är allt tack vare de välordnade kromatinfibrerna gjorda av DNA med strukturella proteiner som ger den dubbla spiralen dess form. Rörligheten för speciella kemiska element genom den biologiska vätskan i molekylära kanaler är väsentlig i många processer, såsom att skapa specifika molekyler och bilda nya proteinkomplexstrukturer.

"Dessa resultat kan ha stor betydelse vid utformning av biologiska läkemedel som terapeutiska proteiner, enzymer, och monoklonala antikroppar, som kan ha de hydrodynamiska radierna större än konventionella kemiska läkemedel baserade på syntetiska föreningar, "avslutar dr. Bubak

Som ett resultat av dessa studier, molekylernas rörlighet i kärnkanalerna beskrivs nu i detalj och väl förstådd för första gången. Tack vare den forskning som presenteras i detta arbete, vi vet nu hur kromatinfibrerna styr molekylorganisationen, avslöjar det spännande molekylära maskineriet dolt djupt inne i kärnan. Vi är nu ett steg närmare att utveckla terapeutiska medel som effektivt kan transporteras in i kärnan.