編輯推薦：André Hoelz領導的團隊在我們對核孔複合體的理解上取得了兩大飛躍，核孔複合體是一個重要的細胞通道。

核孔複合體(NPC)能夠膨脹和收縮以适應細胞的需要。

無論你在做什麼，無論是開車、慢跑，還是最懶的時候，在沙發上吃薯片、看電視，你的每個細胞裡都有一套完整的分子機器在努力工作。這種機器太小，肉眼甚至用顯微鏡都看不見，它為細胞創造能量，制造蛋白質，複制DNA等等。

在這些機械部件中，最複雜的一種是核孔複合物(NPC)。由1000多種蛋白質組成的NPC是細胞核的一個極具辨别能力的看門人，細胞核是細胞内的膜結合區域，保存着該細胞的遺傳物質。任何進出細胞核的東西都必須經過NPC。

NPC扮演着細胞核守門人的角色，這意味着它對細胞的運作至關重要。在細胞核内，DNA，細胞的永久遺傳密碼，被複制成RNA。然後，這些RNA被帶出細胞核，用來制造細胞所需的蛋白質。NPC确保細胞核獲得合成RNA所需的材料，同時保護DNA不受細胞核外惡劣環境的影響，并使RNA在合成後離開細胞核。

加州理工學院化學和生物化學教授、霍華德休斯醫學研究所教員學者André Hoelz說：“這有點像一個可以修理747飛機的機庫，艙門打開讓747飛機進來，但是當艙門打開的時候，有一個人站在那裡。”二十多年來，Hoelz一直在研究和破譯NPC的結構與其功能之間的關系。多年來，他一直在穩步地揭開它的秘密，一點一點地揭開它們。

這項研究的潛在意義是巨大的。NPC不僅是細胞運作的中心，它還參與許多疾病。NPC的突變與某些不可治愈的癌症、神經退行性疾病和自身免疫性疾病(如肌萎縮性側索硬化症和急性壞死性腦病)以及心髒疾病(包括房顫和早期心髒性猝死)有關。此外，許多病毒，包括負責COVID-19的病毒，在其生命周期中目标和關閉NPC。

現在，在發表在《Science》雜志上的兩篇論文中，Hoelz和他的研究團隊描述了兩個重要的突破:确定了NPC外部表面的結構，以及闡明了特殊蛋白質像分子膠水一樣将NPC粘在一起的機制。

一個非常小的3D拼圖

在他們題為“核孔細胞質面結構”的論文中，Hoelz和他的研究團隊描述了他們如何繪制出從細胞核向外進入細胞質的NPC側面的結構。為了做到這一點，他們必須解決相當于一個非常小的三維拼圖，使用成像技術，如電子顯微鏡和X射線晶體學。

Stefan Petrovic是一名生物化學和分子生物物理學的研究生，也是這篇論文的共同第一作者之一，他說這個過程是從大腸杆菌(一種在實驗室中常用的細菌)開始的，這種細菌通過基因工程制造出構成人類NPC的蛋白質。

Petrovic說：“如果你走進實驗室，你會看到這面牆的燒瓶中培養着各種細胞。我們在大腸杆菌細胞中表達每一種蛋白質，把這些細胞敲開，然後用化學方法提純每一種蛋白質成分。”

一次實驗需要1500升的細菌培養才能獲得足夠的材料。一旦提純完成，研究團隊就開始煞費苦心地測試這些NPC碎片是如何組裝起來的。

化學領域的高級博士後研究員、該論文的另一位共同第一作者George Mobbs表示，這種聚合是以“循序漸進”的方式發生的；研究人員并沒有把所有的蛋白質同時倒入試管中，而是測試一對對蛋白質，看看哪一對能像拼圖一樣拼在一起。如果發現一對組合在一起，研究人員就會将兩個組合的蛋白質與第三個蛋白質進行測試，直到他們找到一個與這對組合匹配的蛋白質，然後将得到的三段結構與其他蛋白質進行測試，以此類推。他們通過這種方式處理蛋白質，最終産生了他們論文的最終結果：一個包含16個蛋白質的楔子，重複8次，就像披薩片一樣，形成了NPC的臉。

“我們報告了人類NPC整個細胞質面部的第一個完整結構，并進行了嚴格的驗證，而不是報告一系列基于部分、不完整或低分辨率觀察的片段或部分的漸進進展，”化學博士後研究員、該論文的共同第一作者Si Nie說：“我們決定耐心等待，直到我們獲得了所有必要的數據，報告了大量的新信息。”

他們的工作補充了德國法蘭克福馬克斯·普朗克生物物理研究所的Martin Beck的研究，他的團隊使用冷凍電子斷層掃描生成了一張地圖，提供了一個謎題的輪廓，研究人員必須把碎片放在其中。為了加速人類NPC結構謎題的完成，Hoelz和Beck在兩年前交換了數據，然後獨立地構建了整個NPC的結構。Hoelz說：“大幅改進的Beck的地圖更清楚地顯示了NPC的每一塊(我們決定了原子結構)必須放置的位置，類似于一個定義謎題邊緣的木制框架。”

實驗确定的來自Hoelz組的NPC碎片的結構驗證了Beck課題組的建模。Petrovic說：“我們使用不同的方法将結構獨立地放入地圖中，但最終的結果完全一緻。看到這些我很滿意。”

“我們建立了一個框架，在這個框架上現在可以做很多實驗，”化學高級博士後研究員、第一作者之一Christopher Bley說：“我們現在已經擁有了這種複合結構，它能夠為未來關于NPC功能甚至疾病的實驗提供幫助。NPC中有很多與可怕的疾病相關的突變，了解它們在結構中的位置以及它們如何聚集在一起，可以幫助設計下一組實驗，試圖回答這些突變正在發生的問題。

在另一篇題為《核孔中連接支架的結構》的論文中，研究團隊描述了它是如何确定被稱為NPC連接支架的整個結構的蛋白質的集合，有助于将NPC固定在一起，同時也提供了它需要的靈活性，使其打開和關閉，并調整自己以适應通過的分子。

Hoelz将NPC比作用樂高積木搭起來的東西，這些積木不會被鎖在一起，而是用橡皮筋綁在一起，讓它們固定在原地，同時還能四處移動。“我把這些無結構的膠塊稱為‘孔隙的暗物質’。這道精緻的意大利面條把所有的東西都放在一起。"

表征連接器支架結構的過程與表征NPC其他部分的過程基本相同。該團隊制造并純化了大量的多種類型的連接蛋白和支架蛋白，使用各種生物化學實驗和成像技術來檢查個體之間的相互作用，并一塊一塊地測試它們如何在完整的NPC中組合在一起。

為了驗證他們的工作，他們在活細胞中編碼這些連接蛋白的基因中引入突變。因為他們知道這些突變會如何改變一個特定連接蛋白的化學性質和形狀，使其有缺陷，所以他們可以預測當這些有缺陷的蛋白質被引入細胞的NPC結構會發生什麼。如果細胞的NPC按照預期的方式在功能和結構上有缺陷，它們就知道連接蛋白的排列是正确的。

Petrovic說：“一個細胞比我們在試管中創造的簡單系統要複雜得多，所以有必要驗證從體外實驗中獲得的結果在體内是否成立。”

NPC外部面部的組裝也幫助解決了長期以來關于核包膜的謎題，即包圍細胞核的雙層膜系統。就像細胞核所在的細胞膜一樣，核膜也不是完全光滑的。相反，它布滿了被稱為整合膜蛋白(IMPs)的分子，它們扮演着各種各樣的角色，包括充當受體和幫助催化生化反應。

盡管在核膜的内外兩側都能發現IMPs，但它們究竟是如何從一邊移動到另一邊的還不清楚。事實上，由于IMPs被卡在膜内，它們不能像自由浮動的分子那樣通過NPC的中央運輸通道。

當Hoelz的團隊了解了NPC連接支架的結構後，他們意識到它可以在外部邊緣形成小“水槽”，允許IMPs從核包膜的一邊滑到另一邊，同時始終嵌入膜本身。“它解釋了該領域許多謎一樣的事情。我很高興地看到，正如我們十多年前最初提出的那樣，中央傳輸通道确實有能力為這些IMPs擴張并形成側向門。”

綜上所述，這兩篇論文的發現代表着科學家們在理解人類NPC是如何構建的以及它是如何工作的方面取得了飛躍。該團隊的發現為更多的研究打開了大門。Hoelz強調：“确定了它的結構後，我們現在可以專注于研究NPC功能的分子基礎，比如mRNA是如何輸出的，以及許多NPC相關疾病的潛在原因，以開發新的治療方法為目标。”

描述這項工作的論文發表在6月10日的《Science》雜志上。

來源：Science

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