核孔復合體外環結構研究獲進展

　　2022年1月11日，中國科學院生物物理研究所生物大分子國家重點實驗室孫飛課題組聯合北京大學張傳茂課題組等，在爪蟾核孔復合體外環結構研究方面取得了最新成果。相關研究成果以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合體外周環的冷凍電鏡密度圖，并在此基礎上搭建了完整的Y復合體結構模型，在胞質環的不對稱單位中發現了5個Nup358、2個Nup214復合體、2個Nup205和1個Nup93；在核質環的不對稱單位中發現了1個ELYS、1個Nup205和1個Nup93；闡釋了這些亞基的空間位置和相互作用關系，使核孔復合體外周環的結構模型得到完整解析，為全面揭示核孔復合體的結構與功能奠定了基礎。

　　細胞核是真核生物細胞中最大的細胞器，在細胞核膜上坐落有溝通細胞核質和胞質物質和能量運輸的孔道，稱核孔復合體。從胞質側到核質側，核孔復合體可分為胞質纖維、胞質環、內環、腔內環、核質環和核籃。核孔復合體整體呈現為環繞核孔中央孔道的準八重對稱空心圓柱狀結構，在高等真核生物（如人、爪蟾等）中由約30種、1000多個不同大小的蛋白質亞基構成，分子量可達100兆道爾頓以上。解析核孔復合體的高分辨結構對了解其組裝機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量和與生理功能相適應的高度動態性，當前核孔復合體尚缺乏可靠的高分辨率原子結構模型，限制了對其結構和生理功能的深入研究。

　　科研團隊針對核孔復合體的樣品特性，進一步發展了冷凍電鏡單顆粒分析技術，收集了爪蟾卵母細胞核膜在不同傾轉角度下的圖像數據，挑選出包含各種取向的核孔復合體，進行三維重構計算。最終的數據處理結果顯示，相比于前人利用電子斷層成像進行重構的結果，這種數據收集和處理方法可達到更高分辨率，其中大部分蛋白質亞基可達到二級結構分辨率水平。對于核孔復合體的外環（即胞質環和核質環）的不同區域，可達到8埃左右的整體分辨率。

　　以此為基礎，借助當前準確率最高的蛋白質三維結構預測軟件AlphaFold2，研究預測了爪蟾核孔復合體所有核孔蛋白的全長三維結構，并依據高質量的三維重構結果，針對核孔復合體外環的密度圖進行模型搭建和結構修正，獲得了目前最完整的NPC外環結構模型。這個結構不僅補足了核孔復合體外環結構骨架——Y復合體缺失的部分結構（圖1），而且在外環上鑒定出一系列發揮重要功能的核孔蛋白亞基，闡明了這些未知組分的精細結構及組裝形式。在胞質環上的每個不對稱單元上，研究鑒定出Nup358五元蛋白復合物，發現兩個Nup214復合體兩兩相接構成信使核糖核蛋白出核平臺，一個Nup93蛋白發揮橋接作用連接胞質環兩個Y復合體的莖部區域，以及兩個Nup205蛋白分別發揮穩定胞質環結構的功能。在核質環的每個不對稱單元上，研究鑒定出一個Nup205發揮穩定核質環結構的功能，一個ELYS蛋白發揮起始有絲分裂后期核孔復合體組裝的功能，一個Nup93發揮橋接作用連接核質環Y復合體的莖部區域的功能。這些結構信息可以為未來核孔復合體的組裝研究提供重要的參考數據。

　　研究得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金和國家重點研發計劃的支持。該研究樣品篩選工作在北京大學生命科學學院電鏡中心完成，數據收集工作在生物物理所生物成像中心完成。