Aufnahme eines Zellkerns mit dem Hochleistungs-Elektrononenmikroskop. (Foto: UZH)
Zürich – Der Transport von bestimmten Molekülen in und aus dem Zellkern erfolgt über die Kernporen. Wie diese in der Kernhülle eingebetteten Poren im Detail aufgebaut sind, wird seit längerem erforscht. Nun ist es Biochemikern der Universität Zürich anhand von Hochleistungs-Elektrononenmikroskopen erstmals gelungen, den Aufbau des Transportkanals im Innern der Kernporen in Hochauflösung darzustellen.
Zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma herrscht ein reger Austausch: Moleküle werden in den Zellkern hinein oder oder von dort hinaus ins Plasma transportiert. In einer menschlichen Zelle werden jede Minute mehr als eine Million Moleküle in den Zellkern transportiert. Spezielle in die Kernmembran eingebettete Poren agieren dabei als Transportschleusen. Diese Kernporen gehören zu den grössten und kompliziertesten Strukturen in der Zelle und bestehen aus mehr als 200 einzelnen Proteinen, die in einer ringförmigen Architektur angeordnet sind. In ihrem Inneren befindet sich ein Transportkanal, durch den kleine Moleküle ungehindert diffundieren können, während grosse Moleküle bestimmte Kriterien erfüllen müssen, um transportiert zu werden. Nun ist es einer UZH-Forschungsgruppe um Professor Ohad Medalia zum ersten Mal gelungen, in Hochauflösung die räumliche Struktur des Transportkanals in den Kernporen darzustellen.
«Molekulares Tor» im Porenkanal entdeckt
Für ihre Untersuchung benutzten die Wissenschaftler schockgefrorene Präparate von Eizellen des Krallenfrosches. Dank der Verwendung von Kryoelektronen-Mikroskopen konnte Medalias Team die winzig kleinen Kernporen mit nur einem zehntausendstel Millimeter Durchmesser mit deutlich höherer Auflösung als bis anhin darstellen. Sie führten dadurch unbekannte Details ans Licht: «Wir haben eine bis heute unbeachtete Struktur im Innern der Kernpore entdeckt, die eine Art molekulares Tor bildet, das nur von Molekülen geöffnet werden kann, die den passenden Schlüssel besitzen», erklärt Ohad Medalia. Bei diesem «molekularen Tor» handelt es sich um den sogenannten Speichenring, der sich in der Mitte von zwei anderen Ringen befindet und sich in das Innere der Kernporen erstreckt. Das Tor selbst besteht aus einem feinmaschigen Gitter, das kleinen Molekülen erlaubt ungehindert durchzuschlüpfen.
Die neue hochaufgelöste Darstellung der Kernporen-Struktur führt zu einem besseren Verständnis, warum bestimmte Moleküle die Kernporen passieren dürfen, während andere abgewiesen werden. Sie hilft auch, die Entstehung von manchen Krankheiten besser zu verstehen, bei denen ein fehlerhafter Transport an den Kernporen eine Rolle spielt – beispielsweise bei Krebsarten des Darms, der Eierstöcke und der Schilddrüse.
Kryoelektronen-Mikroskopie an der Universität Zürich
Die Kryoelektronen-Tomographie ist ein Verfahren, das die Strukturen in einer Zelle in ihrer natürlichen Umgebung bei hoher Auflösung dreidimensional sichtbar macht. Sie bedient sich zum einen der Elektronen-Mikroskopie und zum andern der Computer-Tomographie. Die Zellen werden in flüssigem Stickstoff bei -190 Grad schockgefroren, wodurch die Zellstrukturen in einem quasilebenden Zustanden erhalten bleiben und die Vorbehandlung mit schädlichen Chemikalien entfällt. Extrem leistungsfähige Elektronenstrahlen erlauben die Untersuchung auch von dicken Schnitten oder flachen Ganzpräparaten (bis ca. 500 nm).
Ohad Medalia wurde 2010, als einer der Pioniere auf dem Gebiet der Kryoelektronen-Mikroskopie, zum Professor für Biochemie an die Universität Zürich berufen. Dank der grosszügigen Unterstützung der Mäxi Stiftung konnten zwei Hochleistungs-Elektronenmikroskope des Typs «Polara» und «Titan Krios» angeschafft werden. Sie werden heute zusammen mit dem Zentrum für Mikroskopie und Bildanalyse der UZH betrieben und haben das Technologiespektrum der UZH massgeblich erweitert. (UZH/mc/ps)
Literatur:
M. Eibauer, M. Pellanda, Y. Turgay, A. Dubrovsky, A. Wild, and O. Medalia: Structure and Gating of the Nuclear Pore Complex. Nature Communications. June 26, 2015. doi: 10.1038/ncomms8532
