Kunstmatige porie laat selectief transport celkern zien

Kort & bondig

De kern van een cel heeft een belangrijke functie, als het ‘hoofdkwartier’. De kern is omgeven door een barrière, de kernmembraan. Dankzij de poriën in deze membraan is er communicatie mogelijk tussen de kern en de rest van de cel. De poriën zijn gevuld met speciale eiwitten, de nucleoporines, die bepalen wat er de kern in of uit kan. Het is niet precies duidelijk hoe die eiwitten daarvoor zorgen. Daarom hebben wetenschappers een kunstmatige porie gemaakt, waarin ze een door henzelf ontworpen eiwit hebben geplaatst. Die eiwit bootst de belangrijkste eigenschappen van echte nucleoporines na. Deze kunstmatige porie leverde nieuwe inzichten op over hoe de eiwitten hun werk doen. Met deze kennis is het mogelijk om bijvoorbeeld nieuwe eiwitten te ontwerpen die kunnen dienen als selectieve filters.

De celkern is het hoofdkwartier van een cel, er stroomt voortdurend informatie in de vorm van moleculen via poriën door de kernmembraan. Het transport van die moleculen is zowel selectief als snel: per seconde gaan zo’n duizend moleculen naar binnen of naar buiten. Wetenschappers van de RUG en de TU Delft hebben, met collega’s van de Zweedse Chalmers University of Technology, een kunstmatig model van die poriën ontwikkeld om te bestuderen hoe dit mogelijk is. Hun resultaten zijn op 31 maart gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Kernporiën zijn extreem ingewikkelde structuren. De porie zelf is een enorm eiwitcomplex en de opening ervan is gevuld met een dicht netwerk van ongeordende eiwitten, de nucleoporines. Deze eiwitten reguleren het selectieve transport, maar hoe ze dat precies doen is nog onduidelijk. ‘Het kernporiecomplex is een van de grootste structuren in de cel’, legt RUG hoogleraar Micromechanica Patrick Onck uit. ‘We hebben eerder deze poriën in al hun complexiteit onderzocht, maar voor dit project hebben we een sterk vereenvoudigde porie ontworpen, om daarin de belangrijkste natuurkundige principes voor het transport te onderzoeken.’

Nanoporie

Als eerste stap analyseerde het team de samenstelling van nucleoporines, om te komen tot een eenvoudigere ‘gemiddelde’ versie, die nucleoporine X (NupX) is genoemd. Deze eiwitten bestaan uit domeinen waarin de aminozuren fenylalanine (F) en glycine (G) elkaar afwisselen, en die essentieel zijn voor het transport. Deze FG-tandems zijn gescheiden door tussenstukken van andere aminozuren. Naast de FG tandems hebben sommige nucleoporines domeinen met glycine, fenylalanine, leucine en glycine, de GLFG tandems. Het team ontwierp eiwitten met beide domeinen, gescheiden door tussenstukken van tien aminozuren.

NupX is vervolgens in twee verschillende systemen getest: ten eerste experimenteel, aan een oppervlak gebonden of geplaatst in een kunstmatige nanoporie in een membraan van siliciumnitride, en ten tweede via moleculaire dynamica simulaties. De experimenten zijn uitgevoerd in Delft, de simulaties zijn voorbereid en uitgevoerd in Groningen, voor het merendeel door Henry de Vries, promovendus in het lab van Onck.

Vervoersbewijs

In deze testsystemen is gekeken naar de interactie van de nucleoporines met niet-specifieke eiwitten en met chaperonnes, eiwitten die dienst doen als vervoersbewijs voor transport door de porie. In de cel kunnen grote moleculen alleen de kern in of uit wanneer ze zijn vastgemaakt aan zo’n chaperonne. De kunstmatige nucleoporines toonden een selectieve interactie met de chaperonnes, maar niet met het niet-specifieke eiwit. Daarmee zijn de poriën met NupX volledig functioneel, ze zorgen voor selectief transport. De Vries: ‘Maar de experimenten laten alleen zien dat er transport plaatsvindt door de kunstmatige poriën, niet wat er in een porie gebeurt. Met onze simulaties konden we wel laten zien wat zich afspeelt in de porie wanneer de chaperonnes er doorheen trekken, en dat niet specifieke eiwitten geen enkele interactie met de porie hebben.’

Uit de simulaties bleek ook hoe de FG en GLFG nucleoporines zijn verdeeld binnen een porie. ‘Recent onderzoek suggereerde dat ze zich op verschillende plekken zouden bevinden, en dat dit mogelijk bijdraagt aan de selectiviteit’, vertelt De Vries. ‘Maar wij vonden dat ze homogeen over de porie verdeeld zijn, terwijl we wel degelijk selectief transport zagen.’ Een andere suggestie was dat de aminozuren in de tussenstukken belangrijk zijn voor de selectiviteit. ‘Onze resultaten laten zien dat de volgorde en de soort aminozuren geen rol spelen, want onze tussenstukken hadden een willekeurige samenstelling. Wel belangrijk was de verhouding tussen geladen en waterafstotende aminozuren binnen de tussenstukken. Die bepaalt de plakkerigheid van de eiwitten.’

Overdaad

De laatste conclusie van het onderzoek is dat een sterk vereenvoudigd systeem met beperkte variatie in nucleoporines nog steeds een selectieve porie oplevert. ‘Wat er nodig is, is een bepaalde dichtheid van FG-nucleoporines’, zegt Onck. ‘Die vormen een barrière waar alleen de chaperonnes doorheen kunnen.’ Maar dat roept de vraag op waarom de poriën in cellen dan toch een groot aantal verschillende nucleoporines bevatten. Onck: ‘We weten dat de natuur niet altijd met de meest optimale oplossingen komt. Maar het kan ook zo zijn dat die overdaad onder natuurlijke omstandigheden wel degelijk een rol speelt bij het functioneren van de poriën.’

Maar aangezien een zeer simpel kunstmatig systeem al selectief transport laat zien hebben de wetenschappers nu een prachtig stuk gereedschap in handen om de natuurkundige principes die transport in kernporiën reguleren te bestuderen. Onck: ‘Dit kan leiden tot nieuwe fundamentele inzichten, maar ook tot nieuwe toepassingen, zoals het maken van een filtratiesysteem of het gebruik bij de ontwikkeling van kunstmatige cellen.’

Referentie: Alessio Fragasso, Hendrik W. de Vries, John Andersson, Eli O. van der Sluis, Erik van der Giessen, Andreas Dahlin, Patrick R. Onck, Cees Dekker: A designer FG-Nup that reconstitutes the selective transport barrier of the nuclear pore complex. Nature Communications, 31 maart 2021