細胞核へのポリメソームのオルガネラ特異的標的化

Organelle-specific targeting of polymersomes into the cell nucleus.

• Christina Zelmer
• Ludovit P Zweifel
• Larisa E Kapinos
• Ioana Craciun
• Zekiye P Güven
• Cornelia G Palivan
• Roderick Y H Lim

抄録

オルガネラ特異的ナノキャリア（NC）は、治療薬を細胞核に送達するために非常に求められている。そのためには、核細孔複合体（NPC）を迂回するための核細胞質輸送（NCT）が必要である。しかし、細胞内の重要なバリアである核内に、どのようにしてそれと同等の大きさのNCが侵入してくるのかについては、ほとんど知られていません。本研究では、核局在シグナル（NLS）を結合させたポリマーソームナノキャリア（NLS-NCs）を開発し、その選択的な核内取り込みの基盤となるNCTメカニズムを研究した。詳細な化学的、生物物理学的、細胞学的解析を行った結果、NLS-NCの核内への取り込みには、カリオフェリン受容体が必要であること、また、Ranグアノシン三リン酸（RanGTP）がNPCから核内への放出を促進していることが明らかになった。また、透過型電子顕微鏡による超微細構造解析により、NPC内および核内を通過するNLS-NCをさらに詳細に解析することができた。これらの知見は、ポリメソームがNCTを利用する能力を明らかにすることで、カプセル化されたペイロードを細胞核内に直接送達することの有効性を示しています。

Organelle-specific nanocarriers (NCs) are highly sought after for delivering therapeutic agents into the cell nucleus. This necessitates nucleocytoplasmic transport (NCT) to bypass nuclear pore complexes (NPCs). However, little is known as to how comparably large NCs infiltrate this vital intracellular barrier to enter the nuclear interior. Here, we developed nuclear localization signal (NLS)-conjugated polymersome nanocarriers (NLS-NCs) and studied the NCT mechanism underlying their selective nuclear uptake. Detailed chemical, biophysical, and cellular analyses show that karyopherin receptors are required to authenticate, bind, and escort NLS-NCs through NPCs while Ran guanosine triphosphate (RanGTP) promotes their release from NPCs into the nuclear interior. Ultrastructural analysis by regressive staining transmission electron microscopy further resolves the NLS-NCs on transit in NPCs and inside the nucleus. By elucidating their ability to utilize NCT, these findings demonstrate the efficacy of polymersomes to deliver encapsulated payloads directly into cell nuclei.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.