2022年1月11日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫飛課題組聯(lián)合北京大學(xué)張傳茂課題組等，在爪蟾核孔復(fù)合體外環(huán)結(jié)構(gòu)研究方面取得了最新成果。相關(guān)研究成果以8 ? structure of the outer rings of the Xenopus laevis nuclear pore complex obtained by cryo-EM and AI為題，在線發(fā)表在Protein & Cell上。該研究獲得了分辨率為8埃且近各向同性的核孔復(fù)合體外周環(huán)的冷凍電鏡密度圖，并在此基礎(chǔ)上搭建了完整的Y復(fù)合體結(jié)構(gòu)模型，在胞質(zhì)環(huán)的不對(duì)稱單位中發(fā)現(xiàn)了5個(gè)Nup358、2個(gè)Nup214復(fù)合體、2個(gè)Nup205和1個(gè)Nup93；在核質(zhì)環(huán)的不對(duì)稱單位中發(fā)現(xiàn)了1個(gè)ELYS、1個(gè)Nup205和1個(gè)Nup93；闡釋了這些亞基的空間位置和相互作用關(guān)系，使核孔復(fù)合體外周環(huán)的結(jié)構(gòu)模型得到完整解析，為全面揭示核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能奠定了基礎(chǔ)。
細(xì)胞核是真核生物細(xì)胞中最大的細(xì)胞器，在細(xì)胞核膜上坐落有溝通細(xì)胞核質(zhì)和胞質(zhì)物質(zhì)和能量運(yùn)輸?shù)目椎?，稱核孔復(fù)合體。從胞質(zhì)側(cè)到核質(zhì)側(cè)，核孔復(fù)合體可分為胞質(zhì)纖維、胞質(zhì)環(huán)、內(nèi)環(huán)、腔內(nèi)環(huán)、核質(zhì)環(huán)和核籃。核孔復(fù)合體整體呈現(xiàn)為環(huán)繞核孔中央孔道的準(zhǔn)八重對(duì)稱空心圓柱狀結(jié)構(gòu)，在高等真核生物（如人、爪蟾等）中由約30種、1000多個(gè)不同大小的蛋白質(zhì)亞基構(gòu)成，分子量可達(dá)100兆道爾頓以上。解析核孔復(fù)合體的高分辨結(jié)構(gòu)對(duì)了解其組裝機(jī)制和真核生物的起源具有重要意義。然而，由于其巨大的分子質(zhì)量和與生理功能相適應(yīng)的高度動(dòng)態(tài)性，當(dāng)前核孔復(fù)合體尚缺乏可靠的高分辨率原子結(jié)構(gòu)模型，限制了對(duì)其結(jié)構(gòu)和生理功能的深入研究。
科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)核孔復(fù)合體的樣品特性，進(jìn)一步發(fā)展了冷凍電鏡單顆粒分析技術(shù)，收集了爪蟾卵母細(xì)胞核膜在不同傾轉(zhuǎn)角度下的圖像數(shù)據(jù)，挑選出包含各種取向的核孔復(fù)合體，進(jìn)行三維重構(gòu)計(jì)算。最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示，相比于前人利用電子斷層成像進(jìn)行重構(gòu)的結(jié)果，這種數(shù)據(jù)收集和處理方法可達(dá)到更高分辨率，其中大部分蛋白質(zhì)亞基可達(dá)到二級(jí)結(jié)構(gòu)分辨率水平。對(duì)于核孔復(fù)合體的外環(huán)（即胞質(zhì)環(huán)和核質(zhì)環(huán)）的不同區(qū)域，可達(dá)到8埃左右的整體分辨率。
以此為基礎(chǔ)，借助當(dāng)前準(zhǔn)確率最高的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件AlphaFold2，研究預(yù)測(cè)了爪蟾核孔復(fù)合體所有核孔蛋白的全長(zhǎng)三維結(jié)構(gòu)，并依據(jù)高質(zhì)量的三維重構(gòu)結(jié)果，針對(duì)核孔復(fù)合體外環(huán)的密度圖進(jìn)行模型搭建和結(jié)構(gòu)修正，獲得了目前最完整的NPC外環(huán)結(jié)構(gòu)模型。這個(gè)結(jié)構(gòu)不僅補(bǔ)足了核孔復(fù)合體外環(huán)結(jié)構(gòu)骨架——Y復(fù)合體缺失的部分結(jié)構(gòu)（圖1），而且在外環(huán)上鑒定出一系列發(fā)揮重要功能的核孔蛋白亞基，闡明了這些未知組分的精細(xì)結(jié)構(gòu)及組裝形式。在胞質(zhì)環(huán)上的每個(gè)不對(duì)稱單元上，研究鑒定出Nup358五元蛋白復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)Nup214復(fù)合體兩兩相接構(gòu)成信使核糖核蛋白出核平臺(tái)，一個(gè)Nup93蛋白發(fā)揮橋接作用連接胞質(zhì)環(huán)兩個(gè)Y復(fù)合體的莖部區(qū)域，以及兩個(gè)Nup205蛋白分別發(fā)揮穩(wěn)定胞質(zhì)環(huán)結(jié)構(gòu)的功能。在核質(zhì)環(huán)的每個(gè)不對(duì)稱單元上，研究鑒定出一個(gè)Nup205發(fā)揮穩(wěn)定核質(zhì)環(huán)結(jié)構(gòu)的功能，一個(gè)ELYS蛋白發(fā)揮起始有絲分裂后期核孔復(fù)合體組裝的功能，一個(gè)Nup93發(fā)揮橋接作用連接核質(zhì)環(huán)Y復(fù)合體的莖部區(qū)域的功能。這些結(jié)構(gòu)信息可以為未來(lái)核孔復(fù)合體的組裝研究提供重要的參考數(shù)據(jù)。
研究得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。該研究樣品篩選工作在北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院電鏡中心完成，數(shù)據(jù)收集工作在生物物理所生物成像中心完成。
