Jądro komórkowe - najmniejszy supermarket świata

Jądro komórkowe, to zadziwiająca organella. Choć ma rozmiar milionowych części metra, to mieści dwa metry nici DNA będącej materiałem genetycznym niezbędnym do wytwarzania białek biorących udział w licznych procesach komórkowych. Intuicyjnie, jeśli umieścimy tak długą nić w tak małym jądrze, to struktura będzie na tyle ciasno stłoczona, że zdaje się nie być miejsca na swobodną dyfuzję molekuł. Nic bardziej mylnego! Najnowsze badania naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk ujawniają, że pomiędzy tymi włóknami znajduje się sieć kanałów, które umożliwiają swobodne poruszanie się cząsteczek nawet do ok. 150 nm średnicy.

Zatłoczone jądro komórkowe

Jakże ciekawe jest jądro komórkowe. Mieści molekułę życia, DNA, będącą kodem genetycznym, który zawiera wszystkie instrukcje niezbędne do tworzenia białek i tym samym nowych komórek. DNA nawinięte na miniaturowe szpule złożone z histonów i skręcone w pętle, tworzy włókno – chromatynę. I choć włókna są ciasno “plecione”, to przestrzenie pomiędzy nimi są wypełnione licznymi związkami chemicznymi o różnych rozmiarach np. białkami, niezbędnymi do przebiegu procesów biochemicznych m.in. syntezy białek i przenoszenia informacji genetycznych. Ze względu na ogromne stłoczenie niebywałej ilości molekuł w jądrze komórkowym, naukowcy zastanawiali się jak możliwa jest efektywna komunikacja między molekułami oraz synteza mRNA; czy DNA jest upakowane/zorganizowane w jądrze tak jak produkty na półkach w supermarkecie i czy istnieją ścieżki umożliwiające swobodną mobilność cząsteczek podobne do alejek sklepowych, którymi można dojść po produkty? Dzięki najnowszym badaniom zespołu naukowców, z Instytutu Chemii Fizycznej, kierowanego przez profesora Roberta Hołysta wykazano m.in., że pomiędzy włóknami chromatyny znajduje się złożona sieć kanałów, dzięki którym molekuły bez problemu przemieszczają się. 

Molekularny supermarket

Jądro komórkowe działa niczym mikroskopijny supermarket, w którym białka można porównać do klientów poruszających się pomiędzy półkami wypełnionymi towarami (czyli włóknami chromatyny). Jednak, zamiast sklepowych alejek występują szerokie kanały mieszczące wiele molekuł. Przykładowo, średnica białek znajdujących się w jądrze komórkowym wynosi zazwyczaj kilka nanometrów, nukleosomów - około 11 nm, a zwiniętego włókna chromatyny mniej więcej 30 nm. Zatem, kanały o średnicy nawet około 150 nm są kilkakrotnie szersze od średnicy białek przemieszczających się w ich wnętrzu, co zapewnia ich efektywną mobilność i tym samym skuteczne dostarczanie molekuł wszędzie tam, gdzie jest taka potrzeba. Organizacja jądra komórkowego jest zaskakująca i dokładne poznanie jakże skomplikowanej i intrygującej struktury wymagało wprowadzenia do jego wnętrza fluorescencyjnych polimerów, białek oraz nanocząstek o średnicy od 2,6 do 172 nm, odwzorowującym rozmiary molekuł naturalnie w jądrze występujących.

Sięgając po techniki korelacji fluorescencji naukowcy bezinwazyjnie zbadali z jaką „odczuwalną” nanolepkością molekuły znajdujące się w kanałach pomiędzy włóknami chromatyny przemieszczają się. Użycie do badań bardzo czułych detektorów i barwnych związków pozwoliło na wykonanie pomiarów w nanomolarnych stężeniach bez zaburzania aktywności żywej komórki.

“Opracowanie ujednoliconego, ilościowego modelu mobilności molekuł w jądrze w zależności od skali (od pojedynczych do dziesiątek nanometrów) było możliwe dzięki połączeniu techniki mikronastrzyków, z spektroskopią korelacji fluorescencji w żywych komórkach eukariotycznych oraz modelami teoretycznymi rozwijanymi od ponad 10 lat w grupie prof. Hołysta. Bez współpracy w jednym miejscu biotechnologów, fizyków teoretyków i chemików plus odrobiny zdolności manualnych (niezbędnych przy mikronastrzykach) nie osiągnęlibyśmy tak wspaniałego rezultatu” - mówi dr inż. Grzegorz Bubak - pierwszy autor artykułu.

Łącząc badania eksperymentalne z modelem teoretycznym i analizą proteomu potwierdzono, że choć włókna chromatyny są gęsto ułożone, to kanały stanowią nawet 34% objętości jądra. Ich wnętrze natomiast przypomina roztwór koloidalny o stosunkowo niskiej lepkości  zawierający 17 % mobilne białka o stężeniu ~ 1 mM. Dzięki temu dystrybucja molekuł odbywa się sprawnie i ma to ogromne znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesów biochemicznych zachodzących w komórce np. ekspresji genów.

Wyniki naukowców z IChF PAN pozwoliły na rozwikłanie zagadnienia związanego z komunikacją w jądrze na poziomie molekularnym ukazując jak złożona sieć połączeń znajduje się w jego wnętrzu. Po raz pierwszy dla tak szerokiego zakresu średnic cząsteczek, od nanometrów do dziesiątek nanometrów, zaprezentowano, jak cząsteczki poruszają się pomiędzy włóknami chromatyny oraz opisano ich sprawność przemieszczania się modelem teoretycznym.  

"Dzięki otrzymanym wynikom jesteśmy w stanie przewidzieć mobilność innych cząsteczek w jądrze (np. nanocząstek, enzymów czy leków do terapii przeciwnowotworowej) oraz, przede wszystkim, wykazać oddziaływania lub ich brak." - zauważa Dr inż. Grzegorz Bubak

Sukces naukowców opisany został w prestiżowym czasopiśmie naukowym “The Journal of Physical Chemistry Letters” 21 grudnia 2020.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu Maestro UMO-2016/22/A/ST4/00017.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

"Quantifying Nanoscale Viscosity and Structures of Living Cells Nucleus from Mobility Measurements”
Grzegorz Bubak, Karina Kwapiszewska, Tomasz Kalwarczyk, Krzysztof Bielec, Tomasz Andryszewski, Michalina Iwan, Szymon Bubak, Robert Hołyst
The Journal of Physical Chemistry Letters 12, 294-301  (2021)
DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c03052