大爆发！施一公等团队连发5篇Science，揭开核孔复合物神秘面纱

核孔复合体 (NPC) 位于核膜 (NE) 上并介导核质货物运输。作为最大的细胞机器之一，脊椎动物 NPC 由细胞质丝、细胞质环 (CR)、内环、核环、核篮和腔环组成。每个 NPC 有八个重复的亚基。NPC的结构确定是了解其功能机制的先决条件。在过去的二十年中，将单个核孔蛋白和亚复合物的 X 射线结构与冷冻电子断层扫描重建相结合的综合建模在增进我们对 NPC 的了解方面发挥了至关重要的作用。

2022年6月10日，西湖大学施一公团队在Science 在线发表题为“Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex”的研究论文，该研究以 3.7 至 4.7 Å的分辨率对非洲爪蟾 NPC 的细胞质环 (CR) 亚基进行了单粒子冷冻电子显微镜重建。

Nup358 的氨基末端结构域的结构已解析为 3.0 Å，有助于识别每个 CR 亚基中的五个 Nup358 分子。CR 亚基最终模型包括五个 Nup358、两个 Nup205 和两个 Nup93 分子，以及两个先前表征的 Y 复合物。Nup160 的羧基末端片段充当每个 Y 复合体顶点的组织中心。结构分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促进和加强主要由两层 Y 复合物形成的 CR 支架的组装。

另外，2022年6月10日，哈佛医学院吴皓团队在Science 在线发表题为“Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold”的研究论文，该研究使用单粒子冷冻电子显微镜和 AlphaFold 预测从非洲爪蟾卵母细胞中确定了近乎完整的 NPC 细胞质环 (CR) 结构。 使用 AlphaFold 预测核孔蛋白的结构，并通过使用突出的二级结构密度作为指导来适应中等分辨率的图谱。 某些分子相互作用通过使用 AlphaFold 的复杂预测进一步建立或确认。 该研究确定了 Nup358 的五个拷贝的结合模式，这是最大的 NPC 亚基，具有用于货物运输的 Phe-Gly 重复序列，并预测它包含一个盘绕线圈域，可以提供亲和力以帮助其在某些条件下作为 NPC 形成的成核中心。

2022年6月10日，加州理工学院André Hoelz团队在Science 在线发表题为“Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore”的研究论文，该研究报告了通过结合生化重建、晶体结构测定、与冷冻电子断层扫描重建和生理验证相结合而获得的人类细胞质面的复合结构。虽然物种特异性基序在中央运输通道上方锚定了一个进化上保守的约 540 千道尔顿异六聚体细胞质细丝核孔蛋白复合物，但 NUP358 五聚体束的附着取决于外套核孔蛋白复合物的双环排列。总之，该研究的复合结构及其预测能力为阐明 mRNA 输出和核孔蛋白疾病的分子基础提供了丰富的基础。

2022年6月10日，加州理工学院André Hoelz团队在Science 在线发表题为“Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore”的研究论文，该研究结合生化重建、高分辨率结构测定、冷冻电子断层扫描重建和生理验证，阐明了进化上保守的连接器支架的结构，产生了人类 NPC 约 64 兆道尔顿对称的近原子复合结构核。虽然接头通常起刚性作用，但 NPC 的接头支架为其中央运输通道的可逆收缩和扩张以及横向通道的出现提供了必要的可塑性和稳健性。总之，该研究结果大大推进了 NPC 对称核心的结构表征，为未来的功能研究提供了基础。

2022年6月10日，马克斯普朗克生物物理研究所Martin Beck等团队在Science 在线发表题为“AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores”的研究论文，该研究报告了具有显式膜和多种构象状态的人类 NPC 支架的 70 兆道尔顿模型。该研究将基于人工智能 (AI) 的结构预测与原位和细胞冷冻电子断层扫描和综合建模相结合。该研究表明，连接核孔蛋白在亚复合体内和亚复合体之间空间组织支架以建立高阶结构。微秒长的分子动力学模拟表明，支架不需要稳定内外核膜融合，而是扩大中心孔。该研究工作举例说明了如何将基于 AI 的建模与原位结构生物学相结合，以了解跨空间组织级别的亚细胞结构。

核孔复合体 (NPC) 位于核膜 (NE) 上并介导核质货物运输。作为最大的细胞机器之一，脊椎动物 NPC 的分子量 > 100 MDa，由多个细胞质丝 (CF)、细胞质环 (CR)、内环 (IR)、核环 (NR)、核篮（NB）和管腔环（LR）组成。每个 NPC 都有八个重复的子单元，称为辐条。目前的研究涉及每个辐条中 CR 成分的结构，称为 CR 亚基。

对于 NPC 的结构解析，冷冻电子断层扫描曾经是主流方法。人类 NPC 的 CR 亚基通过亚断层图平均重建为~15Å的最高分辨率。每个 CR 亚基都具有两个 Y 形多组分复合物，称为内部 Y 复合物和外部 Y 复合物。CR 中的 16 个 Y 复合体，8 个内部和 8 个外部，以头对尾方式组装，分别以近端和远端同心环的形式构建支架。三方 Y 复合体由短臂（Nup85、Nup43 和 Seh1）、长臂（Nup160 和 Nup37）和茎（Nup96、Sec13、Nup107 和 Nup133）组成。

非洲爪蟾 NPC 的双层 CR 的冷冻电镜结构（图源自Science ）

为了获得更高分辨率的 CR 组件，研究人员使用单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 重建来检查非洲爪蟾 NPC 的 CR 亚基。在数据处理过程中，出现了两个相对独立且刚性的结构实体，分别为核心区域和Nup358区域。核心区域包含来自内部 Y 复合体的长臂和来自两个 Y 复合体的短臂，Nup358 区域覆盖两个 Y 复合体的茎。在对这两个区域进行掩蔽细化后，实现了 5 到 8 Å 的整体分辨率，从而可以分配一些组件，例如两个 Nup205 和两个 Nup358 分子。然而，可靠的对接和建模需要更高的分辨率。

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在这项研究中，核心区域的平均分辨率为 3.7 Å，Nup358 区域的平均分辨率为 4.7 Å。该研究还以 3.0-Å 分辨率解决了 Nup358 的 N 端 α-螺旋结构域的冷冻 EM 结构。依靠改进的分辨率和 AlphaFold 预测的促进，该研究能够为 非洲爪蟾NPC 的整个 CR 生成结构模型。除了先前表征的 Y 复合物外，五个 Nup358、两个 Nup205 和两个 Nup93 分子被确定为 CR 亚基的组成部分。与先前报道的人类 CR 复合模型相比，该研究的结构将分子质量扩大了 80%。总之，该研究的结构分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促进和加强主要由两层 Y 复合物形成的 CR 支架的组装。

参考消息：

DOI: 10.1126/science.abl8280

DOI: 10.1126/science.abm9129

DOI: 10.1126/science.abm9506

DOI: 10.1126/science.abm9326

DOI: 10.1126/science.abm9798