Nuclear Slalom: corsa dell'importina

Un omaggio a Horace Goes Skiing (William Tang, Beam Software, 1983), fatto a Melbourne, in cui Horace attraversava una strada trafficata per noleggiare gli sci e poi affrontava una pista di slalom. Qui la strada è il citoplasma, largo due schermi, e il traffico è quello della cellula stessa: proteine motrici che trascinano vescicole sui loro binari, ribosomi, mitocondri, proteasomi e, più avanti, virus. La pista scende attraverso un poro nucleare dentro il nucleo, e la funivia ti riporta su. Ci sono quattro ordini, ognuno con un carico diverso e un modo diverso di entrare, e quello che fa ogni carico cambia il resto del gioco.

La scienza

• Sei l’importina β, un corriere che porta le proteine dentro il nucleo. È una catena lunga e arricciata di circa 19 ripetizioni HEAT, ognuna una coppia di eliche, ed è così che il gioco la disegna.
• L’importina α è l’adattatore. Molti carichi portano un piccolo “codice postale”, un segnale di localizzazione nucleare (NLS). Il primo scoperto è stato PKKKRKV, nell’antigene T grande di SV40. L’importina α lo legge con una mezzaluna di dieci ripetizioni armadillo (ARM), di tre eliche ciascuna; l’NLS si distende lungo il solco all’interno della curva (le eliche dorate nel gioco mostrano dove si lega ogni carico). L’altra estremità, il dominio IBB, si allunga fino all’importina β.
• Importine α diverse per lavori diversi. Gli esseri umani hanno diverse importine α, con nomi notoriamente ingarbugliati (l’importina α1 è codificata dal gene KPNA2, l’α3 da KPNA4, l’α5 da KPNA1). Alcuni carichi ne preferiscono una, quindi nel gioco scegli tu:
  • una proteina ribosomiale non ha bisogno di adattatore: l’importina β la afferra direttamente (Jäkel e Görlich, 1998). I ribosomi, con circa 80 proteine ciascuno, si assemblano nel nucleolo. Nel gioco, più ribosomi vogliono dire una nuova importina β: una vita in più;
  • SOX2, un fattore pioniere che sa aprire la cromatina molto compatta e tiene attive le cellule staminali neurali, ha due NLS che insieme coprono nove delle dieci ripetizioni ARM dell’importina α3, il che spiega perché preferisce l’α3 (Jagga et al., 2021). Nel gioco apre la cromatina, e la pista diventa più libera;
  • la proteina W del virus Hendra si lega all’importina α3 con una superficie più ampia e più di 50 volte più forte che all’importina α1 (Smith et al., 2018; vedi anche la pagina della struttura). Una volta nel nucleo, W blocca i segnali che accendono l’interferone, l’allarme antivirale della cellula (Shaw et al., 2005). Nel gioco l’allarme si spegne e i virus si moltiplicano;
  • STAT1 si attiva quando l’interferone delle cellule vicine raggiunge il recettore della cellula e le chinasi JAK le aggiungono fosfati. Due STAT1 fosforilate si appaiano e vengono portate dentro dall’importina α5, non dall’importina α1 (Sekimoto et al., 1997), grazie a un segnale insolito vicino alla fine delle ripetizioni ARM. Dentro, accendono i geni stimolati dall’interferone. Anche le proteine W degli henipavirus si legano a STAT1 e la trattengono nel nucleo (Shaw et al., 2004): sono le cose rosse e spinose dell’ultima discesa.
• Il poro. Un complesso del poro nucleare è un anello di circa 1000 molecole di proteine di una trentina di tipi di nucleoporina, che pesa circa 120 MDa, incastonato nella doppia membrana dell’involucro nucleare. Il suo canale è pieno di ripetizioni FG flessibili (fenilalanina–glicina) che tengono fuori le molecole grandi, a meno che non le porti un’importina: l’importina si lega alle ripetizioni FG mentre scivola attraverso (le tue bandierine FG). Ogni poro regge fino a 1000 passaggi al secondo.
• Che cosa lo rende a senso unico: Ran. Nel nucleo, RCC1, seduta sulla cromatina, carica di GTP la piccola proteina Ran. RanGTP afferra l’importina β appena dentro il canestro del poro e le fa lasciare il carico. L’importina β torna fuori con RanGTP, e l’importina α con il suo esportatore, CAS (esportina 2). Dal lato del citoplasma, RanGAP, tenuta sui filamenti del poro da RanBP2, fa consumare a Ran il suo GTP, liberando le importine per un altro viaggio, e NTF2 riporta dentro RanGDP. Ecco la funivia.
• Altre storie di importine, dai nostri articoli con il gruppo di Jade Forwood alla Charles Sturt University: la ORF4b del coronavirus MERS si lega all’importina α in modo insolito, proprio dove si legherebbe NF-κB, un altro segnale d’allarme (Munasinghe et al., 2022); aggiungere un fosfato accanto all’NLS di una proteina del citomegalovirus, UL44, la fa legare all’importina α dieci volte meno forte (Cross et al., 2024); e il capside del virus della malattia del becco e delle penne ha un braccio che lo indirizza al nucleo (pagina della struttura).
• Un premio Nobel. Günter Blobel ha vinto il premio Nobel per la medicina del 1999 per aver scoperto che le proteine portano segnali che le mandano nel posto giusto della cellula.

Dove il gioco bara un po’

• Le proteine non camminano, non sciano e non portano berretti di lana. In una cellula tutto si sposta per diffusione, a spintoni a caso, e attraversare un poro richiede una minuscola frazione di secondo, non un’intera pista da sci.
• Il citoplasma è davvero affollato (affollamento macromolecolare), ma le proteine motrici non investono nessuno. Il codice della strada è puro Horace.
• Una cellula non “sceglie” un’importina α: ogni carico si lega semplicemente meglio a quelle adatte al suo segnale, e molti carichi ne possono usare diverse. Le proteine ribosomiali possono anche viaggiare con altre importine, come la transportina.
• RanGTP fa lasciare il carico nel canestro, e poi il carico arriva al DNA da solo. Il gioco gli presta i tuoi sci per quell’ultimo tratto.
• Una sola SOX2 non apre tutta la cromatina del nucleo: i fattori pionieri aprono punti precisi. Una pista più libera è il modo del gioco per dire grazie.
• Hsp70 è una chaperone che aiuta le proteine a ripiegarsi e a ripiegarsi di nuovo, non un’ambulanza. L’ambulanza di Horace gli costava soldi; qui costa una vita.
• Non c’è nessuna funivia. Le importine tornano fuori dai pori come sono entrate, e il gradiente di Ran, GTP dentro e GDP fuori, tiene il traffico nella direzione giusta.