清華新聞網(wǎng)3月22日電 真核生物和原核生物最主要的區(qū)別在于真核生物進(jìn)化出了獨(dú)立的細(xì)胞核。細(xì)胞核由雙層膜（核膜）包裹，膜的存在使得細(xì)胞的核質(zhì)交流受到阻礙。核孔復(fù)合物（nuclear pore complex，NPC）是鑲嵌在雙層核膜上，控制核質(zhì)與胞質(zhì)間物質(zhì)運(yùn)輸?shù)奈ㄒ煌ǖ?，其功能的紊亂引起多種嚴(yán)重的疾病，包括癌癥。
70余年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于解析NPC的高分辨率結(jié)構(gòu)，然而由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)在的柔性，組成的復(fù)雜以及體積的龐大，至今仍無(wú)法全面地闡釋其精確的構(gòu)成。3月18日，生命科學(xué)學(xué)院隋森芳教授團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞研究》（Cell Research）發(fā)表了題為“近原子分辨率的酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)”(Near atomic structure of the inner ring of the Saccharomyces cerevisiae nuclear pore complex)的最新研究成果。該成果報(bào)道了近原子分辨率的酵母核孔復(fù)合物內(nèi)環(huán)（Innerring，IR）的結(jié)構(gòu)，并闡述了NPC“伸展”和“收縮”的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為進(jìn)一步理解NPC適應(yīng)不同生理環(huán)境的機(jī)制提供了理論依據(jù)。
圖1.酵母NPC中IR的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。完整IR的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（a）及其原子模型（b）；c：IR dimer、IR monomer和IR protomer的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
NPC是細(xì)胞內(nèi)體積最大，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器，從酵母到人源細(xì)胞，NPC由來(lái)自30多種不同核孔蛋白的約550到1000個(gè)蛋白分子組成，相對(duì)分子質(zhì)量在60至120MDa左右。NPC具有三明治的結(jié)構(gòu)特征，包括四個(gè)同軸的環(huán)狀結(jié)構(gòu)：位于胞質(zhì)側(cè)的外環(huán)（Cytoplasmic ring，CR）和核質(zhì)側(cè)的外環(huán)（Nuclear ring，NR），位于兩層外環(huán)之間的內(nèi)環(huán)IR，和穿插于雙層核膜內(nèi)部的腔環(huán)（Lumen ring，LR）。IR同時(shí)與其他三個(gè)環(huán)相連，是NPC中最核心的結(jié)構(gòu)。IR具有C8的對(duì)稱(chēng)性，每一個(gè)單元稱(chēng)為內(nèi)環(huán)單體（IR monomer），且每個(gè)IR monomer又具有近似C2的對(duì)稱(chēng)性，每個(gè)部分稱(chēng)為內(nèi)環(huán)原體（IR protomer）。該研究以釀酒酵母為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和冷凍電子顯微學(xué)的手段成功獲得了IR monomer和IR protomer的高分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率分別為3.73 ?和3.71 ?，同時(shí)還獲得幾個(gè)重要的IR亞基的結(jié)構(gòu)，最終成功搭建了完整IR的原子模型，這是目前為止酵母NPC的IR最詳盡、最精確的結(jié)構(gòu)模型（圖1）。
圖2.IR的“收縮”和“伸展”機(jī)制。“收縮”狀態(tài)（a）和“伸展”狀態(tài)（b）下鄰近內(nèi)環(huán)單體間相互作用的變化。
該模型中成功搭建了192個(gè)蛋白分子，分子量約為16MDa，約占酵母核孔復(fù)合體質(zhì)量的三分之一。每個(gè)IR monomer由三層結(jié)構(gòu)組成：外層、中間層和內(nèi)層。其中外層中的Nup157和Nup170的N端靠近核膜，介導(dǎo)了IR與LR之間的相互作用；中間層“Z”字形的Nup188和Nup192形成了一個(gè)近70°的弧形凹槽用于容納內(nèi)層菱形的CNT四聚體（CNT tetramer）。每個(gè)CNT tetramer內(nèi)部包含八個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)，八個(gè)CNT tetramer形成了NPC最內(nèi)層感知物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)特征可能為適應(yīng)不同體積的物質(zhì)的運(yùn)輸提供了結(jié)構(gòu)上的可變性。結(jié)構(gòu)分析顯示在IR monomer內(nèi)部存在大量的柔性的相互作用，相比之下，IR monomer之間的相互作用則較弱。通過(guò)與先前發(fā)表的原位的結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)該研究獲得的NPC處于“收縮狀態(tài)”，相鄰的IR monomer間依靠上述幾對(duì)較弱的相互作用維持；而原位的結(jié)構(gòu)則處于“伸展”狀態(tài)，相鄰的IR monomer被“拉開(kāi)”，產(chǎn)生了一個(gè)近七納米的“溝”，IR monomer內(nèi)部由于大量相互作用的存在而整體保持相對(duì)不變（圖2）。
這些結(jié)果為深入理解NPC的組裝、構(gòu)象變化及其強(qiáng)大的生理功能提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，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。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授隋森芳為本文的通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士生、南方科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生李宗強(qiáng)，2018級(jí)博士生陳帥嘉彬，2017級(jí)博士生黃國(guó)強(qiáng)，以及清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后、南方科技大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者趙亮為本文的共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副研究員孫珊、南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心教授王培毅也參與了該研究。膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心及北京市生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委等為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41422-022-00632-y
供稿：生命學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：覃霞
審核：呂婷
