Science：成功構建出核孔復合體的細胞質環結構

核孔復合體（nuclear pore complex, NPC）是真核細胞核膜上的分子通道，調節細胞核和細胞質之間生物大分子的輸入和輸出。脊椎動物NPC的分子質量約110～125兆道爾頓（MDa），直徑約120納米。NPC被組裝成四個主要的環：位于細胞質一側的細胞質環（cytoplasmic ring, CR）、位于核膜平面上的內環（inner ring）和管狀環（luminal ring）以及面向細胞核的核環（nuclear ring）。每個環都擁有近似八倍的對稱性，由不同的核孔蛋白（nucleoporin, Nup）的多個拷貝組成。NPC參與了許多生物過程，其功能障礙與越來越多的嚴重人類**有關。然而，盡管過去二十年來許多研究小組進行了開創性的研究，但是人們仍然對NPC的組裝、動態和復雜性缺乏充分的了解。

在一項新的研究中，來自哈佛醫學院和波士頓兒童醫院等研究機構的研究人員使用非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母細胞作為結構表征的模型系統，因為這種動物的每個卵母細胞都擁有大量的NPC顆粒，這些顆?？梢栽谔烊坏暮四ど嫌^察到，而無需借助于洗滌劑的提取。他們使用單顆粒低溫電鏡（cryo-EM）分析在不同平臺傾斜角度下收集的數據，進行三維重建，并使用AlphaFold進行結構預測以建立模型。相關研究結果發表在2022年6月10日的Science期刊上，論文標題為“Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold”。

由于沒有非洲爪蟾Nup的高分辨率模型，這些作者分別以6.9埃和6.7埃的分辨率重建了非洲爪蟾NPC的全CR原聚體和一個核心區域的CR圖譜，并使用AlphaFold預測了各個Nup的結構。對于任何不明確的亞基相互作用，他們也預測了復雜的結構，這進一步指導了CR原聚體的模型擬合。他們將Nup或復合物結構放入CR密度中，得到一個幾乎完整的CR原子模型，它由內側和外側Y復合體（Y-complex）、兩個Nup205、兩個Nup214-Nup88-Nup62復合物、一個Nup155和五個Nup358組成。

特別是，這些作者預測NPC中*大的核孔蛋白Nup358具有一個S形球狀結構域、一個卷曲螺旋結構域和一個基本無序的含有苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重復序列的C-末端區域，FG重復序列以前被證明可形成凝膠狀的凝結物相，用于選擇性地通過貨物。四個Nup358夾在內側和外側Y復合體周圍，以穩定CR，而第五個Nup358位于這個夾起結構的中心位置。AlphaFold還預測了Nup358的同源寡聚體（可能是五聚體）的卷曲螺旋結構域，這可能為Nup358招募到NPC和降低NPC生物發生中Nup358凝結的閾值提供了親和力。

非洲爪蟾核孔復合體胞質環的低溫電鏡結構。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm9326。

綜上所述，這項新的研究提供了一個綜合低溫電鏡和結構預測的例子，作為從中分辨率密度圖中獲得更**的MDa級別蛋白復合物模型的一般方法。這些作者提出的更準確和幾乎完整的CR模型擴大了人們對NPC中分子相互作用的理解，代表著向完整的NPC分子結構邁出了實質性的一步，對NPC的功能、生物發生和調節有重要的意義。（生物谷 Bioon.com）