Science：真核生物的核孔是机械敏感性的

2021年12月18日讯/生物谷BIOON/---真核生物的细胞核容纳并保护遗传信息。它被核膜所包围，而且核膜将核质与细胞质分开。核膜的双膜系统与细胞骨架和染色质在物理上连接在一起。它能感知机械刺激并发出信号。核孔复合物（nuclear pore complex, NPC）介导核质互换。它们将内核膜和外核膜融合在一起，形成一个水性的中央通道。它们复杂的圆柱形结构由大约30个核孔蛋白组成。这种核孔蛋白支架以高度动态的方式呈现膜融合拓扑结构。NPC直径的变化已有报道，但其生理情况和分子细节仍是未知的。

为了研究体内NPC构象的动态变化，在一项新的研究中，德国研究人员对裂殖酵母细胞中的NPC进行了结构分析。他们使用低温电子断层成像和随后的子断层扫描图平均化（subtomogram averaging）来定量确定暴露于不同应激刺激下的细胞中的NPC直径。他们发现在指数生长的细胞中，NPC支架扩张，然而在能量耗尽和高渗冲击（hyperosmotic shock）的条件下，它们会收缩。将综合结构模型结合在一起的结构分析显示，NPC支架在收缩过程中经历了大规模的运动和弯曲。因此，这个中央通道的体积减少到约二分之一。核质扩散明显减少。NPC支架上的核孔蛋白没有任何已知的使它们能够施加力量的运动活性。因此，观察到的NPC直径的动态变化很可能是在核膜内侧向施加的力量的结果。在能量耗尽和高渗冲击的条件下，细胞体积和核体积减少，以致于核收缩导致核膜过剩。因此，他们推测NPC支架对机械敏感。他们还推测，核膜张力的降低会导致NPC收缩到一种构象基态。

相关研究结果发表在2021年12月10日的Science期刊上，论文标题为“Nuclear pores dilate and constrict in cellulo”。

这些作者概述了对一种概念模型的几个预测，在这种概念模型中，核膜张力调节NPC直径。在这种情况下，核体积和NPC直径应该是相互依赖的。NPC支架的刚性应当会抵消它的扩张。在膜弹性理论的基础上，他们预测核膜腔内的渗透压和核膜内的膜张力的作用是等同的。因此，核内膜和核外膜之间的距离应该随着这两者线性增长。他们着手在实验中检验这些预测。他们发现，细胞核的收缩与NPC的收缩相关联。恢复实验证明，这种行为是可逆的。当转移到正常培养基时，收缩的NPC会扩张。核体积恢复了，细胞仍有活力。在指数增长的细胞中，对NPC支架的遗传扰动导致了它的进一步扩张。他们在低温电子断层成像图中分割了核内膜和核外膜，并定量确定了它们的距离。正如预期的那样，NPC的直径与核内膜和核外膜之间的距离直接相关。

NPC在细胞能量耗尽和高渗冲击的条件下会收缩。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd9776。

综上所述，这些数据强烈地表明，NPC支架是机械敏感的，核膜张力调节NPC的直径。这些数据将NPC的构象与核膜的机械状态联系起来。这一发现对细胞核可能暴露于机械力的各种细胞过程有影响。这些过程包括细胞分化和迁移、机械活跃的组织中的核膜维持、非常大的货物（如病毒衣壳）的输入、转移和渗透条件改变。在这样的条件下，核膜张力将在全局或局部发生变化。由此产生的NPC直径的变化可能会产生功能上的后果，这些后果仍有待于在未来开展进一步研究。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Christian E. Zimmerli et al. Nuclear pores dilate and constrict in cellulo. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd9776.