編輯推薦：André Hoelz領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在我們對(duì)核孔復(fù)合體的理解上取得了兩大飛躍，核孔復(fù)合體是一個(gè)重要的細(xì)胞通道。

核孔復(fù)合體(NPC)能夠膨脹和收縮以適應(yīng)細(xì)胞的需要。

無(wú)論你在做什么，無(wú)論是開(kāi)車(chē)、慢跑，還是最懶的時(shí)候，在沙發(fā)上吃薯片、看電視，你的每個(gè)細(xì)胞里都有一套完整的分子機(jī)器在努力工作。這種機(jī)器太小，肉眼甚至用顯微鏡都看不見(jiàn)，它為細(xì)胞創(chuàng)造能量，制造蛋白質(zhì)，復(fù)制DNA等等。

在這些機(jī)械部件中，最復(fù)雜的一種是核孔復(fù)合物(NPC)。由1000多種蛋白質(zhì)組成的NPC是細(xì)胞核的一個(gè)極具辨別能力的看門(mén)人，細(xì)胞核是細(xì)胞內(nèi)的膜結(jié)合區(qū)域，保存著該細(xì)胞的遺傳物質(zhì)。任何進(jìn)出細(xì)胞核的東西都必須經(jīng)過(guò)NPC。

NPC扮演著細(xì)胞核守門(mén)人的角色，這意味著它對(duì)細(xì)胞的運(yùn)作至關(guān)重要。在細(xì)胞核內(nèi)，DNA，細(xì)胞的永久遺傳密碼，被復(fù)制成RNA。然后，這些RNA被帶出細(xì)胞核，用來(lái)制造細(xì)胞所需的蛋白質(zhì)。NPC確保細(xì)胞核獲得合成RNA所需的材料，同時(shí)保護(hù)DNA不受細(xì)胞核外惡劣環(huán)境的影響，并使RNA在合成后離開(kāi)細(xì)胞核。

加州理工學(xué)院化學(xué)和生物化學(xué)教授、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所教員學(xué)者André Hoelz說(shuō)：“這有點(diǎn)像一個(gè)可以修理747飛機(jī)的機(jī)庫(kù)，艙門(mén)打開(kāi)讓747飛機(jī)進(jìn)來(lái)，但是當(dāng)艙門(mén)打開(kāi)的時(shí)候，有一個(gè)人站在那里?！倍嗄陙?lái)，Hoelz一直在研究和破譯NPC的結(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系。多年來(lái)，他一直在穩(wěn)步地揭開(kāi)它的秘密，一點(diǎn)一點(diǎn)地揭開(kāi)它們。

這項(xiàng)研究的潛在意義是巨大的。NPC不僅是細(xì)胞運(yùn)作的中心，它還參與許多疾病。NPC的突變與某些不可治愈的癌癥、神經(jīng)退行性疾病和自身免疫性疾病(如肌萎縮性側(cè)索硬化癥和急性壞死性腦病)以及心臟疾病(包括房顫和早期心臟性猝死)有關(guān)。此外，許多病毒，包括負(fù)責(zé)COVID-19的病毒，在其生命周期中目標(biāo)和關(guān)閉NPC。

現(xiàn)在，在發(fā)表在《Science》雜志上的兩篇論文中，Hoelz和他的研究團(tuán)隊(duì)描述了兩個(gè)重要的突破:確定了NPC外部表面的結(jié)構(gòu)，以及闡明了特殊蛋白質(zhì)像分子膠水一樣將NPC粘在一起的機(jī)制。

一個(gè)非常小的3D拼圖

在他們題為“核孔細(xì)胞質(zhì)面結(jié)構(gòu)”的論文中，Hoelz和他的研究團(tuán)隊(duì)描述了他們?nèi)绾卫L制出從細(xì)胞核向外進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)的NPC側(cè)面的結(jié)構(gòu)。為了做到這一點(diǎn)，他們必須解決相當(dāng)于一個(gè)非常小的三維拼圖，使用成像技術(shù)，如電子顯微鏡和X射線(xiàn)晶體學(xué)。

Stefan Petrovic是一名生物化學(xué)和分子生物物理學(xué)的研究生，也是這篇論文的共同第一作者之一，他說(shuō)這個(gè)過(guò)程是從大腸桿菌(一種在實(shí)驗(yàn)室中常用的細(xì)菌)開(kāi)始的，這種細(xì)菌通過(guò)基因工程制造出構(gòu)成人類(lèi)NPC的蛋白質(zhì)。

Petrovic說(shuō)：“如果你走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，你會(huì)看到這面墻的燒瓶中培養(yǎng)著各種細(xì)胞。我們?cè)诖竽c桿菌細(xì)胞中表達(dá)每一種蛋白質(zhì)，把這些細(xì)胞敲開(kāi)，然后用化學(xué)方法提純每一種蛋白質(zhì)成分?！?/p>

一次實(shí)驗(yàn)需要1500升的細(xì)菌培養(yǎng)才能獲得足夠的材料。一旦提純完成，研究團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始煞費(fèi)苦心地測(cè)試這些NPC碎片是如何組裝起來(lái)的。

化學(xué)領(lǐng)域的高級(jí)博士后研究員、該論文的另一位共同第一作者George Mobbs表示，這種聚合是以“循序漸進(jìn)”的方式發(fā)生的；研究人員并沒(méi)有把所有的蛋白質(zhì)同時(shí)倒入試管中，而是測(cè)試一對(duì)對(duì)蛋白質(zhì)，看看哪一對(duì)能像拼圖一樣拼在一起。如果發(fā)現(xiàn)一對(duì)組合在一起，研究人員就會(huì)將兩個(gè)組合的蛋白質(zhì)與第三個(gè)蛋白質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，直到他們找到一個(gè)與這對(duì)組合匹配的蛋白質(zhì)，然后將得到的三段結(jié)構(gòu)與其他蛋白質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，以此類(lèi)推。他們通過(guò)這種方式處理蛋白質(zhì)，最終產(chǎn)生了他們論文的最終結(jié)果：一個(gè)包含16個(gè)蛋白質(zhì)的楔子，重復(fù)8次，就像披薩片一樣，形成了NPC的臉。

“我們報(bào)告了人類(lèi)NPC整個(gè)細(xì)胞質(zhì)面部的第一個(gè)完整結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了嚴(yán)格的驗(yàn)證，而不是報(bào)告一系列基于部分、不完整或低分辨率觀(guān)察的片段或部分的漸進(jìn)進(jìn)展，”化學(xué)博士后研究員、該論文的共同第一作者Si Nie說(shuō)：“我們決定耐心等待，直到我們獲得了所有必要的數(shù)據(jù)，報(bào)告了大量的新信息?！?/p>

他們的工作補(bǔ)充了德國(guó)法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所的Martin Beck的研究，他的團(tuán)隊(duì)使用冷凍電子斷層掃描生成了一張地圖，提供了一個(gè)謎題的輪廓，研究人員必須把碎片放在其中。為了加速人類(lèi)NPC結(jié)構(gòu)謎題的完成，Hoelz和Beck在兩年前交換了數(shù)據(jù)，然后獨(dú)立地構(gòu)建了整個(gè)NPC的結(jié)構(gòu)。Hoelz說(shuō)：“大幅改進(jìn)的Beck的地圖更清楚地顯示了NPC的每一塊(我們決定了原子結(jié)構(gòu))必須放置的位置，類(lèi)似于一個(gè)定義謎題邊緣的木制框架?！?/p>

實(shí)驗(yàn)確定的來(lái)自Hoelz組的NPC碎片的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了Beck課題組的建模。Petrovic說(shuō)：“我們使用不同的方法將結(jié)構(gòu)獨(dú)立地放入地圖中，但最終的結(jié)果完全一致。看到這些我很滿(mǎn)意?！?/p>

“我們建立了一個(gè)框架，在這個(gè)框架上現(xiàn)在可以做很多實(shí)驗(yàn)，”化學(xué)高級(jí)博士后研究員、第一作者之一Christopher Bley說(shuō)：“我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了這種復(fù)合結(jié)構(gòu)，它能夠?yàn)槲磥?lái)關(guān)于NPC功能甚至疾病的實(shí)驗(yàn)提供幫助。NPC中有很多與可怕的疾病相關(guān)的突變，了解它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)中的位置以及它們?nèi)绾尉奂谝黄?，可以幫助設(shè)計(jì)下一組實(shí)驗(yàn)，試圖回答這些突變正在發(fā)生的問(wèn)題。

在另一篇題為《核孔中連接支架的結(jié)構(gòu)》的論文中，研究團(tuán)隊(duì)描述了它是如何確定被稱(chēng)為NPC連接支架的整個(gè)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的集合，有助于將NPC固定在一起，同時(shí)也提供了它需要的靈活性，使其打開(kāi)和關(guān)閉，并調(diào)整自己以適應(yīng)通過(guò)的分子。

Hoelz將NPC比作用樂(lè)高積木搭起來(lái)的東西，這些積木不會(huì)被鎖在一起，而是用橡皮筋綁在一起，讓它們固定在原地，同時(shí)還能四處移動(dòng)。“我把這些無(wú)結(jié)構(gòu)的膠塊稱(chēng)為‘孔隙的暗物質(zhì)’。這道精致的意大利面條把所有的東西都放在一起。”

表征連接器支架結(jié)構(gòu)的過(guò)程與表征NPC其他部分的過(guò)程基本相同。該團(tuán)隊(duì)制造并純化了大量的多種類(lèi)型的連接蛋白和支架蛋白，使用各種生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)和成像技術(shù)來(lái)檢查個(gè)體之間的相互作用，并一塊一塊地測(cè)試它們?nèi)绾卧谕暾腘PC中組合在一起。

為了驗(yàn)證他們的工作，他們?cè)诨罴?xì)胞中編碼這些連接蛋白的基因中引入突變。因?yàn)樗麄冎肋@些突變會(huì)如何改變一個(gè)特定連接蛋白的化學(xué)性質(zhì)和形狀，使其有缺陷，所以他們可以預(yù)測(cè)當(dāng)這些有缺陷的蛋白質(zhì)被引入細(xì)胞的NPC結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生什么。如果細(xì)胞的NPC按照預(yù)期的方式在功能和結(jié)構(gòu)上有缺陷，它們就知道連接蛋白的排列是正確的。

Petrovic說(shuō)：“一個(gè)細(xì)胞比我們?cè)谠嚬苤袆?chuàng)造的簡(jiǎn)單系統(tǒng)要復(fù)雜得多，所以有必要驗(yàn)證從體外實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)果在體內(nèi)是否成立。”

NPC外部面部的組裝也幫助解決了長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于核包膜的謎題，即包圍細(xì)胞核的雙層膜系統(tǒng)。就像細(xì)胞核所在的細(xì)胞膜一樣，核膜也不是完全光滑的。相反，它布滿(mǎn)了被稱(chēng)為整合膜蛋白(IMPs)的分子，它們扮演著各種各樣的角色，包括充當(dāng)受體和幫助催化生化反應(yīng)。

盡管在核膜的內(nèi)外兩側(cè)都能發(fā)現(xiàn)IMPs，但它們究竟是如何從一邊移動(dòng)到另一邊的還不清楚。事實(shí)上，由于IMPs被卡在膜內(nèi)，它們不能像自由浮動(dòng)的分子那樣通過(guò)NPC的中央運(yùn)輸通道。

當(dāng)Hoelz的團(tuán)隊(duì)了解了NPC連接支架的結(jié)構(gòu)后，他們意識(shí)到它可以在外部邊緣形成小“水槽”，允許IMPs從核包膜的一邊滑到另一邊，同時(shí)始終嵌入膜本身?！八忉屃嗽擃I(lǐng)域許多謎一樣的事情。我很高興地看到，正如我們十多年前最初提出的那樣，中央傳輸通道確實(shí)有能力為這些IMPs擴(kuò)張并形成側(cè)向門(mén)?！?/p>

綜上所述，這兩篇論文的發(fā)現(xiàn)代表著科學(xué)家們?cè)诶斫馊祟?lèi)NPC是如何構(gòu)建的以及它是如何工作的方面取得了飛躍。該團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)為更多的研究打開(kāi)了大門(mén)。Hoelz強(qiáng)調(diào)：“確定了它的結(jié)構(gòu)后，我們現(xiàn)在可以專(zhuān)注于研究NPC功能的分子基礎(chǔ)，比如mRNA是如何輸出的，以及許多NPC相關(guān)疾病的潛在原因，以開(kāi)發(fā)新的治療方法為目標(biāo)?！?/p>

描述這項(xiàng)工作的論文發(fā)表在6月10日的《Science》雜志上。

來(lái)源：Science

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