Uno studio internazionale guidato dall’Università di Basilea dimostra che i complessi dei pori nucleari - minuscoli passaggi nella membrana del nucleo cellulare - non sono rigidi o simili a gel, come si riteneva in precedenza. Il loro interno è organizzato dinamicamente, in continuo movimento e cambiamento. Questi risultati cambiano la nostra comprensione di un importante processo di trasporto nelle cellule e hanno implicazioni per le malattie e le possibili terapie.
Il nucleo cellulare assomiglia a un caveau di una banca, protetto dai complessi dei pori nucleari (NPC) come un sistema di sicurezza altamente sviluppato. Solo le proteine con la giusta "chiave" - speciali fattori di trasporto - hanno accesso esclusivo. In questo modo, il sistema controlla quali sostanze entrano o escono dal nucleo cellulare. Questo stretto controllo è essenziale per garantire una comunicazione fluida tra il genoma protetto all’interno e le macchine cellulari all’esterno.
Nuove conoscenze biologiche grazie alle nanoscienze
Nonostante la loro importanza, il funzionamento interno dei complessi dei pori nucleari è ancora un mistero. Il loro canale di trasporto è rivestito da filamenti proteici altamente flessibili - le nucleoporine FG (FG Nups). Essi formano una barriera selettiva la cui struttura ultra-fine rimane nascosta anche ai più potenti microscopi elettronici. Poiché le FG Nup possono formare strutture simili a gel all’esterno delle cellule, vecchi modelli hanno paragonato la funzione dei complessi dei pori nucleari a quella di un setaccio rigido.
Ora, un team guidato da Roderick Lim, professore Argovia di nanobiologia presso il Biozentrum e l’Istituto svizzero di nanoscienze dell’Università di Basilea, ha utilizzato la microscopia a forza atomica ad alta velocità (HS-AFM) per filmare movimenti mai visti prima su scala nanometrica con una risoluzione di millisecondi direttamente all’interno dei pori. I ricercatori hanno ora pubblicato la loro scoperta della straordinaria ristrutturazione all’interno dei complessi dei pori nucleari sulla rivista "Nature Cell Biology".
I filamenti proteici altamente dinamici, i cosiddetti FG-Nups (verdi), sono ancorati all’interno del poro. In condizioni di vita, i fattori di trasporto (rosa), che trasportano il carico, interagiscono con le FG-Nup e formano un tappo centrale che contribuisce all’organizzazione di una barriera di trasporto dinamica. Il trasporto selettivo può avvenire preferenzialmente attraverso la regione circostante. Per chiarezza, le molecole di carico non sono mostrate e la densità di FG-Nup è stata ridotta. (Animazione: Enrique Sahagun, Scixel)
la barriera del complesso dei pori nucleari è organizzata in modo lasco da un tappo centrale mobile i cui componenti sono stati a lungo enigmatici. È stato dimostrato che consiste in una miscela dinamica di fattori di trasporto, molecole di carico e nup FG che si mescolano lungo l’asse centrale del poro. Questo crea un sistema altamente adattabile che rafforza la barriera garantendo al contempo un rapido trasporto selettivo", spiega Lim.
Nuotare con la corrente
Il team ha scoperto questa organizzazione dinamica studiando i complessi dei pori nucleari delle cellule di lievito. I filmati AFM ad alta velocità che ne sono scaturiti hanno mostrato anche i movimenti fluidi dei nup FG che si "irradiano" verso la spina centrale all’interno del poro.
quando abbiamo osservato complessi di pori nucleari isolati per lunghi periodi di tempo in condizioni controllate, il tappo centrale dei complessi di pori nucleari è scomparso. Quando abbiamo aggiunto nuovamente i fattori di trasporto nucleare, si è formato di nuovo", riferisce il dottor Toshiya Kozai, primo autore dello studio. È sorprendente che i fattori di trasporto abbiano anche ripristinato una funzione di barriera simile a quella dei complessi di pori nucleari nei nanopori artificiali, un’indicazione della generalità di questo meccanismo.
Gli idrogel assomigliano a spugne con buchi
I complessi di pori nucleari sono spesso paragonati agli idrogel. questo perché i nup FG formano idrogeli in vitro, cioè in provetta, che sono migliaia di volte più grandi dei complessi di pori nucleari. Tuttavia, sono costituiti da strutture simili a fibre aggrovigliate che sono semplicemente troppo grandi per entrare in un complesso di pori nucleari, per non parlare dell’intero corpo dell’idrogel", spiega Lim.
quando abbiamo esaminato gli idrogel più da vicino, ci siamo resi conto che erano pieni di buchi di forma e dimensioni irregolari, come una spugna da cucina. Molti di questi fori avevano le dimensioni di complessi di pori nucleari o addirittura più grandi. Potrebbero simulare un comportamento simile a quello dei complessi di pori nucleari.
Sfide per il futuro
Il comportamento dinamico e autoassemblato rivelato dallo studio fornisce una visione unificata dei complessi di pori nucleari che è coerente con le osservazioni strutturali e biochimiche di lunga data, con implicazioni che vanno dalla biologia cellulare di base alla progettazione di filtri intelligenti e sistemi di somministrazione di farmaci.
La limitazione dello stato dinamico dei pori impedisce il trasporto selettivo nel nucleo, evidenziando l’importanza di questo comportamento per il corretto funzionamento delle cellule.
la prossima sfida è capire come le cellule mettono a punto queste straordinarie nanomacchine in risposta a esigenze mutevoli: come i pori si adattano allo stress, regolano la crescita e, quando sono ostruiti, contribuiscono alle malattie", ha aggiunto Michael Rout della Rockefeller University, che ha co-diretto il lavoro.
Il lavoro si basa su una collaborazione internazionale tra ricercatori del Biozentrum e dell’Istituto svizzero di nanoscienza dell’Università di Basilea (Svizzera), della Rockefeller University (New York, USA), della Fondazione Ikerbasque per la scienza (Bilbao, Spagna), l’Istituto Biofisika-CSIC-UPV/EHU-Fundacion Biofisika Bizkaia (Leioa, Spagna), l’Università di Groningen (Paesi Bassi), l’Università Ebraica di Gerusalemme (Israele), l’Università della California, San Francisco (USA), l’Università di Yale (West Haven, USA) e la Yale School of Medicine (New Haven, CT, USA).
Pubblicazione originale
Kozai, T., Fernandez-Martinez, J., Kapinos, L.E. et al.
Le carioferine rimodellano l’organizzazione dinamica della barriera di trasporto del complesso del poro nucleare.
Nature Cell Biology (2025), doi: 10.1038/s41556-025-01812-9
