Giống như các nhà quy hoạch đô thị cẩn thận sắp xếp luồng phương tiện trong trung tâm thành phố, các tế bào tỉ mỉ điều khiển chuyển động phân tử qua ranh giới hạt nhân của chúng. Hoạt động như những người gác cổng vi mô, các phức hợp lỗ nhân (NPC) được nhúng trong màng nhân duy trì sự kiểm soát chính xác đối với hoạt động thương mại phân tử này. Công trình đột phá từ Texas A&M Health đang tiết lộ tính chọn lọc tinh vi của hệ thống này, có khả năng cung cấp góc nhìn mới về các rối loạn thoái hóa thần kinh và sự phát triển của ung thư.
Theo dõi mang tính cách mạng các con đường phân tử
Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Siegfried Musser tại Đại học Y khoa Texas A&M đã tiên phong trong các cuộc điều tra về quá trình vận chuyển nhanh chóng, không va chạm của các phân tử qua hàng rào màng kép của hạt nhân. Ấn phẩm Nature mang tính bước ngoặt của họ nêu chi tiết về những phát hiện mang tính cách mạng được thực hiện nhờ công nghệ MINFLUX – một phương pháp chụp ảnh tiên tiến có khả năng chụp các chuyển động phân tử 3D diễn ra trong vài mili giây ở quy mô nhỏ hơn khoảng 100.000 lần so với chiều rộng của một sợi tóc người. Trái ngược với các giả định trước đây về các con đường tách biệt, nghiên cứu của họ chứng minh rằng các quá trình nhập và xuất hạt nhân chia sẻ các tuyến đường chồng chéo trong cấu trúc NPC.
Những khám phá đáng ngạc nhiên thách thức các mô hình hiện có
Quan sát của nhóm nghiên cứu đã tiết lộ các mô hình giao thông bất ngờ: các phân tử di chuyển theo hai hướng qua các kênh hẹp, di chuyển xung quanh nhau thay vì đi theo các làn đường chuyên dụng. Đáng chú ý là các hạt này tập trung gần các thành kênh, để lại khu vực trung tâm trống rỗng, trong khi tiến trình của chúng chậm lại đáng kể - chậm hơn khoảng 1.000 lần so với chuyển động không bị cản trở - do các mạng lưới protein cản trở tạo ra một môi trường xi-rô.
Musser mô tả đây là “kịch bản giao thông đầy thách thức nhất có thể tưởng tượng – luồng giao thông hai chiều qua những lối đi hẹp”. Ông thừa nhận, “Những phát hiện của chúng tôi đưa ra sự kết hợp các khả năng không lường trước được, cho thấy sự phức tạp lớn hơn so với các giả thuyết ban đầu của chúng tôi đề xuất”.
Hiệu quả bất chấp những trở ngại
Điều thú vị là hệ thống vận chuyển NPC chứng minh hiệu quả đáng kể bất chấp những hạn chế này. Musser suy đoán, “Sự phong phú tự nhiên của NPC có thể ngăn chặn hoạt động quá tải, giảm thiểu hiệu quả sự can thiệp cạnh tranh và rủi ro tắc nghẽn.” Tính năng thiết kế vốn có này dường như ngăn chặn tình trạng tắc nghẽn phân tử, Here'sa phiên bản viết lại với cú pháp, cấu trúc và ngắt đoạn đa dạng nhưng vẫn giữ nguyên ý nghĩa ban đầu:
Giao thông phân tử đi vòng: NPC tiết lộ những con đường ẩn
Thay vì đi thẳng qua NPC'trục trung tâm, các phân tử dường như di chuyển qua một trong tám kênh vận chuyển chuyên biệt, mỗi kênh được giới hạn trong một cấu trúc giống như nan hoa dọc theo lỗ chân lông'vòng ngoài. Sự sắp xếp không gian này gợi ý một cơ chế kiến trúc cơ bản giúp điều chỉnh dòng chảy phân tử.
Musser giải thích,“Trong khi các lỗ nhân nấm men được biết là chứa một'phích cắm trung tâm,'thành phần chính xác của nó vẫn còn là một bí ẩn. Trong tế bào người, đặc điểm này chưa'chưa được quan sát, nhưng sự phân chia chức năng là hợp lý—và lỗ chân lông'trung tâm có thể đóng vai trò là tuyến đường xuất khẩu chính cho mRNA.“
Mối liên hệ giữa bệnh tật và những thách thức trong điều trị
Rối loạn chức năng ở NPC—một cổng di động quan trọng—đã được liên kết với các rối loạn thần kinh nghiêm trọng, bao gồm ALS (Lou Gehrig'bệnh Alzheimer's, và Huntington's bệnh. Ngoài ra, hoạt động buôn bán NPC tăng cao có liên quan đến sự tiến triển của ung thư. Mặc dù việc nhắm mục tiêu vào các vùng lỗ chân lông cụ thể về mặt lý thuyết có thể giúp thông tắc nghẽn hoặc làm chậm quá trình vận chuyển quá mức, Musser cảnh báo rằng việc can thiệp vào chức năng NPC có thể gây ra rủi ro, vì vai trò cơ bản của nó trong sự sống còn của tế bào.
“Chúng ta phải phân biệt giữa các khiếm khuyết liên quan đến vận chuyển và các vấn đề liên quan đến NPC's lắp ráp hoặc tháo rời,“ông ấy lưu ý.“Mặc dù nhiều kết nối bệnh tật có thể rơi vào loại sau, nhưng vẫn có những trường hợp ngoại lệ—giống như đột biến gen c9orf72 trong ALS, tạo ra các chất kết tụ làm tắc nghẽn lỗ chân lông.“
Hướng đi trong tương lai: Lập bản đồ tuyến đường vận chuyển hàng hóa và hình ảnh tế bào sống
Musser và cộng sự Tiến sĩ Abhishek Sau, từ Texas A&M's Phòng thí nghiệm kính hiển vi chung, có kế hoạch điều tra xem các loại hàng hóa khác nhau—chẳng hạn như các tiểu đơn vị ribosome và mRNA—theo các con đường độc đáo hoặc hội tụ trên các tuyến đường chung. Công việc đang diễn ra của họ với các đối tác Đức (EMBL và Abberior Instruments) cũng có thể điều chỉnh MINFLUX để chụp ảnh thời gian thực trong các tế bào sống, cung cấp góc nhìn chưa từng có về động lực vận chuyển hạt nhân.
Được hỗ trợ bởi nguồn tài trợ của NIH, nghiên cứu này định hình lại hiểu biết của chúng ta về hậu cần tế bào, cho thấy cách NPC duy trì trật tự trong đô thị vi mô nhộn nhịp của nhân tế bào.
Thời gian đăng: 25-03-2025
