Unser Erbgut verbirgt sich im Inneren des Kerns unserer Zellen, jeweils gut geschützt durch eine Doppelmembran. Alle Moleküle, die diese passieren wollen, müssen sich durch eine der mehreren Tausend Kernporen fädeln. Die kanalartige Struktur dieser Poren ist gut bekannt. Doch wie genau der Transport in ihnen vonstattengeht, ist Gegenstand zahlreicher Debatten. Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Max-Planck-Instituts für Biophysik (MPI-BP) in Frankfurt am Main und der Universität Wuhan in China haben nun für Klarheit gesorgt. „Wir konnten erstmals die intrinsische Proteindynamik im Nanokanal einer lebenden Zelle messen und zeigen, dass das Innere dieses Kanals flüssigkeitsartig ist“, sagt Prof. Dr. Edward Lemke, Professor für Synthetische Biophysik an der JGU, der zusammen mit Prof. Dr. Gerhard Hummer vom MPI-BP die aktuelle Studie geleitet hat. Den Forschenden des MPI-BP wiederum ist es gelungen, auf Basis der Ergebnisse von Lemke und seinem Team das bislang umfassendste Simulationsmodell einer Kernpore zu erstellen. Dieses beantwortet insbesondere die Frage des Transportwegs durch die Pore. „Ermöglicht wurden die aufwändigen Berechnungen durch den ersten europäischen Exascale-Supercomputer JUPITER des Forschungszentrums Jülich“, freut sich Hummer. Die Ergebnisse haben die Forschenden heute im Fachmagazin Nature veröffentlicht. „Da die Kernpore das Genom schützt und den gesamten Austausch zwischen Zellkern und Zytoplasma kontrolliert, ist sie eine der wichtigsten molekularen Maschinen der menschlichen Zelle“, sagt Prof. Dr. Miao Yu von der Universität Wuhan, Co-Erstautorin der Studie. „Und auch eine der komplexesten“, ergänzt Co-Erstautor Maziar Heidari vom MPI-BP.
Fluoreszenzfarbstoffe als Sonden
Wer im Mittelalter in eine Stadt reiste, musste zunächst eines der Stadttore passieren – und wurde dort gegebenenfalls abgewiesen. In gewissem Sinne vergleichbar ist die Situation an der Membran, die das Innere der menschlichen Zellkerne mit der wertvollen Erbinformation schützend umgibt. Wollen Botenstoffe oder Krankheitserreger hindurch, führt der einzige Weg durch die Kernporen, die jeweils mehrere Zehntausend Besucher pro Minute kontrollieren. Während bestimmte Moleküle gezielt passieren dürfen, werden andere zurückgehalten. Essenziell für diese Selektion ist eine Barriere aus Eiweißen, die die Öffnung ausfüllen – so viel war bereits bekannt. Was die genaue Beschaffenheit dieser Barriere angeht, gingen die Vorstellungen jedoch weit auseinander: Untersuchungen an isolierten Eiweißen lieferten unterschiedliche Ergebnisse, die von ausgestreckten Polymeren über flüssigkeitsartige Kondensate bis hin zu festkörperartigen Gelen mit Gummibärchen-ähnlicher Konsistenz reichten. „Solche Untersuchungen erlaubten jedoch keine direkten Rückschlüsse darauf, wie sich die Barriere innerhalb der lebenden Zelle verhält“, sagt Lemke. Wie dynamisch sind diese in der Pore verankerten Proteinketten in ihrer natürlichen Umgebung? Wirken sie eher wie ein fester Kamm, oder sind sie weich und beweglich wie Joghurt oder eine Flüssigkeit? Und inwiefern trägt ihre intrinsische Dynamik zum selektiven Transport bei? Solche Fragen blieben bislang unbeantwortet.
Um Antworten zu erhalten, haben Lemke und sein Team Fluoreszenzfarbstoffe als Sonden gezielt an die Proteine in den Kernporen gekoppelt: kleine Leuchtpunkte, deren Beweglichkeit viel über die Dynamik der Proteine verrät. „Da sich die Farbstoffe äußerst schnell bewegen, muss der Zustand im Inneren der Kernporen flüssigkeitsartig sein“, sagt Lemke.
Was die Barriere flüssig hält
In lebenden Zellen blieben die Eiweiße über den gesamten Beobachtungszeitraum von zwei Stunden hinweg hochgradig beweglich. Diese Ergebnisse hat das Team mit einem In-vitro-Modell verglichen, also mit isolierten Eiweißen im Reagenzglas: Dort wurde die Eiweißmasse jedoch nach etwa zwei Stunden stets zum starren „Gummibärchen“ oder sogar zu einem Feststoff, der den Ablagerungen in den Gehirnen von Menschen mit neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson ähnelt. „Dies war ein entscheidender Wendepunkt: Es musste etwas geben, das die Barriere in den Zellen dynamisch hält“, sagt Lemke. Des Rätsels Lösung: Zum einen ist ein Transportrezeptor nötig, zum anderen müssen die Eiweiße der Barriere glykosyliert, also mit Zuckergruppen versehen sein, damit sie nicht zu stark aneinanderkleben. „Geben wir diese beiden Komponenten hinzu, beobachten wir im Modellsystem eine ähnliche Mobilität wie in den Kernporen der lebenden Zelle“, sagt Lemke.
Transport vor allem über den Rand der Pore
Eine weitere offene Frage betraf den Transportweg. Während die Fließgeschwindigkeit zum Beispiel in Rohren oder Flüssen in der Mitte höher ist als am Rand, ist es früheren Untersuchungen zufolge in Kernporen genau umgekehrt. Die Vermutung der Fachwelt: Es musste einen biologischen Grund geben – etwa einen Pfropfen in der Mitte der Pore. Die Forschenden um Hummer führten entsprechende Simulationen durch. Als Basis nutzten sie den Vernetzungsgrad, den das Mainzer Team in seinen Experimenten ermittelt hatte. „Die Simulationen bestätigen: Der Haupttransportweg führt über den Rand der Pore“, sagt Hummer. „Zwar schließen wir einen biologischen Grund wie einen Pfropfen nicht aus, doch ist er physikochemisch nicht notwendig.“ Die Ergebnisse sind nicht nur für das grundlegende Verständnis der Funktionsweise menschlicher Zellen wichtig, sondern helfen auch dabei, neurodegenerative Prozesse besser zu begreifen – schließlich geht es auch dort um das Verhärten zuvor flexibler Eiweiße.
(Johannes Gutenberg-Universität Mainz)
Originalpublikation:
M. Yu, M. Heidari et al. Glycosylation and importins liquefy the FG barrier in live nuclear pores, Nature, 11. November 2026,
DOI: 10.1038/s41586-026-11258-0
https://doi.org/10.1038/s41586-026-11258-0
