Der Kernporenkomplexe (NPC) spielt bei der Entstehung von Krebs eine wichtige Rolle, da er DNA-Reparatur und Proteinentstehung regulieren. NPCs helfen Fehler zu reparieren, die während der DNA-Verdopplung in der Zellteilung auftreten: Sie pinnen fehlerhafte DNA-Sequenzen fest und erleichtern so deren Reparatur durch Molekülmaschinen. NPCs beeinflussen auch die Verpackung der DNA im Zellkern und somit ihre Lesbarkeit und Übersetzbarkeit in Proteine. Sind NPCs beeinträchtigt, können sie diese Aufgabe nicht ausführen und so erhöht sich das Krebsrisiko.

Forscher*innen des EMBL, des Zentrums für Strukturelle Systembiologie (CSSB) und des Max-Planck-Instituts für Biophysik haben ein detailliertes Computermodell des menschlichen Kernporenkomplexes erstellt. Dieses Modell zeigt die meisten NPC-Bestandteile und wie sie sich bewegen und erklärt somit, wie Moleküle den NPC selektiv passieren. Die detaillierte Struktur wurde mithilfe des KI-Programms AlphaFold bestimmt, das seinerseits auf etwa 200 000 Molekülstrukturen in EMBLs Proteindatenbank trainiert wurde. Die Ergebnisse wurden mit elektronenmikroskopischen Daten und weiteren Computermodellen zu dem detaillierten Modell kombiniert.

Der Kernporenkomplexes gibt Aufschluss über Schlüsselereignisse in der Evolution des Lebens auf der Erde wie zB die Entwicklung des Zellkerns und anderer Kompartimente (Organellen) innerhalb der Zelle. Der Zellkern und andere Organellen haben sich vermutlich etwa zur gleichen Zeit entwickelt. NPCs verschiedener Arten bestehen aus den gleichen Grundbausteinen und funktionieren ähnlich, ihre Zusammensetzung und Struktur ist jedoch sehr unterschiedlich. Dies deutet darauf hin, dass NPCs eine anpassungsfähige Komponente waren, die die Evolution der verschiedenen Arten vorangetrieben hat.

The nuclear pore complex plays multiple roles in the development of cancers by influencing DNA repair and gene expression. NPCs help repairing errors that occur during the DNA-duplication in cell division: They anchor faulty DNA sequences and thus facilitate the repair by molecular machines. NPC components also play a role in how DNA is packaged. The form of packaging affects which genes are expressed as proteins. NPCs are the route that messenger RNA (mRNA), transcribed from DNA, takes out of the cell nucleus to where it is translated into proteins. Faulty NPCs that cannot fulfil these roles contribute to the risk of developing cancers.

Scientists at EMBL, the Centre for Structural Systems Biology (CSSB) and the Max Planck Institute of Biophysics have created a detailed computer model of the human nuclear pore complex, showing most of its components and how they move to selectively let molecules pass through. Determining the detailed structure of the NPC relied on the AI program AlphaFold, itself trained on 200,000 or so molecular structures in EMBL-EBI’s Protein Databank. AlphaFold output was combined with electron microscopy data and further computer modelling for integration into a detailed model.

Studying the nuclear pore complex gives clues to some of the key events in the evolution of life on Earth — the development of the cell nucleus and other compartments within the cell, such as energy providing mitochondria. Recent studies suggest that the nucleus and many other compartments (organelles) developed alongside each other at around the same time in evolutionary history. While the function of NPCs across species is similar and they share major building blocks, their structure varies dramatically. This suggests that the NPCs have been an adaptable component that has helped drive evolution across species.