清華新聞網(wǎng)6月5日電 NPC（核孔復(fù)合體）是細(xì)胞內(nèi)最龐大、最復(fù)雜的分子機(jī)器之一，是介導(dǎo)生物大分子進(jìn)行核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的唯一通道，參與細(xì)胞內(nèi)眾多重要的生命活動(dòng)，其功能的紊亂能夠引起包括癌癥在內(nèi)的多種嚴(yán)重的疾病。近年來(lái)，通過(guò)整合冷凍電鏡技術(shù)、X射線(xiàn)晶體學(xué)、質(zhì)譜學(xué)和人工智能等技術(shù)，NPC的三維結(jié)構(gòu)正在逐步得到解析。然而，關(guān)于其核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制仍然是不清楚的。核糖體是NPC轉(zhuǎn)運(yùn)的最具代表性的生物大分子組裝體之一，負(fù)責(zé)合成生命的基礎(chǔ)物質(zhì)——蛋白質(zhì)分子。核糖體的生物合成涉及200多個(gè)組裝因子的參與，是一個(gè)高度有序的調(diào)控過(guò)程。核糖體在成熟之前，其大小亞基的組裝首先起始于核仁區(qū)域，隨后在核仁和核質(zhì)中經(jīng)過(guò)一系列的加工過(guò)程，經(jīng)由NPC轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)中完成最后的成熟。近年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)報(bào)道了許多核糖體前體的高分辨結(jié)構(gòu)，幾乎涵蓋了細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)組裝階段的主要步驟。然而，目前仍缺乏核糖體前體在NPC核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，這極大地阻礙了我們對(duì)核糖體在細(xì)胞內(nèi)成熟過(guò)程的理解。
5月31日，南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、冷凍電鏡中心，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖期刊《自然》（Nature）上發(fā)表了題為“核糖體前體大亞基通過(guò)核孔復(fù)合體的出核轉(zhuǎn)運(yùn)”（Nuclear export of the pre-60S particles through nuclear pore complex）的最新研究成果，該成果解析了處于NPC孔道內(nèi)核糖體前體（pre-60S）的高分辨結(jié)構(gòu)，展示了pre-60S通過(guò)NPC孔道過(guò)程中構(gòu)象和組成變化，闡述了NPC協(xié)助pre-60S進(jìn)行出核轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制，為進(jìn)一步理解NPC轉(zhuǎn)運(yùn)生物大分子的生理功能提供了重要的理論依據(jù)。
不久前，隋森芳課題組利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)解析了酵母NPC的結(jié)構(gòu)，把酵母NPC的內(nèi)環(huán)（Inner ring，IR）結(jié)構(gòu)推進(jìn)到近原子分辨率3.73埃，該工作是迄今為止酵母NPC內(nèi)環(huán)的最詳盡、最精確的結(jié)構(gòu)模型。在此工作的基礎(chǔ)上，隋森芳課題組近期在NPC內(nèi)環(huán)的孔道里捕捉到被轉(zhuǎn)運(yùn)生物大分子顆粒的結(jié)構(gòu)信息。綜合運(yùn)用生物化學(xué)和冷凍電子顯微學(xué)的研究手段證明，處于NPC孔道內(nèi)的生物大分子顆粒是核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的核糖體前體pre-60S，并將pre-60S的結(jié)構(gòu)分辨率解析到2.64埃（圖1a-c）。通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，該結(jié)構(gòu)第一次揭開(kāi)pre-60S顆粒在通過(guò)NPC孔道時(shí)的行為特征。孔道中pre-60S的表面結(jié)合了迄今為止報(bào)道的幾乎所有轉(zhuǎn)運(yùn)因子，說(shuō)明pre-60S的出核轉(zhuǎn)運(yùn)是一個(gè)十分耗能且復(fù)雜的過(guò)程（圖1c-d）。結(jié)構(gòu)分析顯示pre-60S在出核前后展現(xiàn)出明顯的差異性，主要表現(xiàn)為如下特征：組成上展示出大量組裝因子和轉(zhuǎn)運(yùn)因子的結(jié)合與解離；結(jié)構(gòu)上在L1 stalk（L1莖）、H38（核糖體RNA螺旋38）、ES27（核糖體RNA擴(kuò)展片段27）和PTC（肽基轉(zhuǎn)移酶中心）區(qū)域也呈現(xiàn)出劇烈的構(gòu)象變化（圖2）。
圖1.pre-60S在NPC孔道內(nèi)的結(jié)構(gòu)
圖2.pre-60S在出核轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的構(gòu)象變化
另外，上述轉(zhuǎn)運(yùn)因子主要集中在pre-60S的subunit interface（亞基互作界面），通過(guò)與NPC孔道表面FG-repeats（苯丙氨酸-甘氨酸重復(fù)片段）的聯(lián)系介導(dǎo)了pre-60S與NPC的相互作用，并通過(guò)屏蔽rRNA表面的負(fù)電性促進(jìn)pre-60S的出核轉(zhuǎn)運(yùn)。pre-60S及其表面結(jié)合的轉(zhuǎn)運(yùn)因子在NPC孔道內(nèi)的分布表明pre-60S的subunit interface朝向并貼著核孔壁進(jìn)行核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，而且IR（核孔復(fù)合物的內(nèi)環(huán)）可能是該過(guò)程中的一個(gè)質(zhì)量檢查點(diǎn)。同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn)單個(gè)NPC孔道能夠同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)多個(gè)pre-60S顆粒，這種高效率的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)于代謝旺盛的細(xì)胞來(lái)說(shuō)也是非常必要的?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，研究人員提出了關(guān)于pre-60S核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的模型。
圖3.pre-60S顆粒經(jīng)由NPC進(jìn)行出核轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制
這些研究結(jié)果為進(jìn)一步完善核糖體的加工成熟、深入理解NPC核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的強(qiáng)大生理功能提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，對(duì)核糖體和NPC兩大熱點(diǎn)、難點(diǎn)領(lǐng)域的交叉研究具有重大的促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)理解相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制以及研發(fā)相應(yīng)的治療方案和特異性藥物也具有重要意義。
南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、冷凍電鏡中心，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院隋森芳院士為本文的通訊作者。南方科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后李宗強(qiáng)和南方科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2021級(jí)博士生陳帥嘉彬?yàn)楸疚牡墓餐谝蛔髡?。南方科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后趙亮、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生黃國(guó)強(qiáng)、南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生徐慧勤、南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究助理教授楊肖云、南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心教授王培毅、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授高寧也參與了該研究。
國(guó)家自然科學(xué)基金委、南方科技大學(xué)、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心等為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心為該研究相關(guān)的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和處理工作提供了大力支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06128-y
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
