蛋白质细胞:核孔复合体外环结构的研究进展

来源：生物物理研究所，2022年1月15日09:18

中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室孙飞课题组与北京大学张传茂课题组在爪蟾核孔复合体外环结构研究方面取得了最新成果。相关研究成果以冷冻电镜和人工智能获得的非洲爪蟾核孔复合体外环结构为题在网上发表。

中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室孙飞课题组与北京大学张传茂课题组在爪蟾核孔复合体外环结构研究方面取得了最新成果。相关研究成果发表在《蛋白质细胞》杂志上，标题为冷冻电镜和人工智能获得的非洲爪蟾核孔复合体的外环结构。本研究通过冷冻电镜获得了分辨率为8埃、近各向同性的核孔化合物外围环的密度图，并在此基础上构建了完整的Y复合体结构模型，包括5个Nup358、2个Nup214复合体、2个Nup205和1个Nup93发现于细胞质环的不对称单位。一台ELYS，一台Nup205，一台Nup93发现于核质环的不对称单位。解释了这些亚基的空间位置和相互作用关系，从而可以完整地分析核孔复合体外周环的结构模型，为全面揭示核孔复合体的结构和功能奠定了基础。

细胞核是真核细胞中最大的细胞器。在核膜上，有沟通核质、胞质物质和能量运输的通道，称为核孔复合体。从胞质侧到核侧，核孔复合体可分为胞质纤维、胞质环、内环、腔内环、核环和核篮。核复合体整体呈现围绕核孔中心孔的准八面体对称空心圆柱结构。在高等真核生物(如人类、非洲爪蟾等)中。)，由约30种大小不等的1000多个蛋白质亚基组成，分子量可达100兆道尔顿以上。分析核孔复合体的高分辨率结构对于理解其组装机制和真核生物的起源具有重要意义。但由于其巨大的分子量和与生理功能相适应的高动态特性，目前仍缺乏可靠的核孔复合体高分辨率原子结构模型，限制了对其结构和生理功能的深入研究。

根据核孔复合体的样品特征，研究团队进一步发展了冷冻电镜的单粒子分析技术，采集了非洲爪蟾卵母细胞核膜在不同倾斜角度下的图像数据，选取了不同取向的核孔复合体进行三维重建计算。最终的数据处理结果表明，与以往的电子断层成像重建结果相比，这种数据采集和处理方法可以获得更高的分辨率，大部分蛋白质亚基可以达到二级结构分辨率的水平。对于核孔复合体外环的不同区域(即细胞质环和细胞核环)，可以获得约8埃的总分辨率。

在此基础上，利用目前精度最高的蛋白质三维结构预测AlphaFold2，预测了非洲爪蟾核孔复合体中所有核孔蛋白质的全长三维结构。根据高质量的三维重建结果，对核孔复合体外环的密度图进行建模和修正，得到了目前最完整的NPC外环结构模型。这一结构不仅补充了核孔复合体外环结构骨架——Y复合体缺失的部分(图1)，还鉴定了一系列在外环中起重要作用的核孔蛋白亚基，阐明了这些未知成分的精细结构和组装形式。在细胞质环的每个不对称单元上，鉴定了Nup358的五元蛋白复合物。发现两个Nup214复合物成对连接形成信使核糖核蛋白的核平台，一个Nup93蛋白起桥接作用连接细胞质环两个Y复合物的茎区，两个Nup205蛋白分别起稳定细胞质环结构的作用。在核质环的每个不对称单元上，鉴定出Nup205在稳定核质环的结构中起作用，ELYS蛋白在有丝分裂后期启动核孔复合体的组装中起作用，Nup93在桥连核质环Y复合体的茎区中起作用。这些结构信息可以为今后核孔复合体组装的研究提供重要的参考数据。(100yiyao.com)

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