Science：成功构建出核孔复合体的细胞质环结构

核孔复合体（nuclear pore complex, NPC）是真核细胞核膜上的分子通道，调节细胞核和细胞质之间生物大分子的输入和输出。脊椎动物NPC的分子质量约110～125兆道尔顿（MDa），直径约120纳米。NPC被组装成四个主要的环：位于细胞质一侧的细胞质环（cytoplasmic ring, CR）、位于核膜平面上的内环（inner ring）和管状环（luminal ring）以及面向细胞核的核环（nuclear ring）。每个环都拥有近似八倍的对称性，由不同的核孔蛋白（nucleoporin, Nup）的多个拷贝组成。NPC参与了许多生物过程，其功能障碍与越来越多的严重人类疾病有关。然而，尽管过去二十年来许多研究小组进行了开创性的研究，但是人们仍然对NPC的组装、动态和复杂性缺乏充分的了解。

在一项新的研究中，来自哈佛医学院和波士顿儿童医院等研究机构的研究人员使用非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母细胞作为结构表征的模型系统，因为这种动物的每个卵母细胞都拥有大量的NPC颗粒，这些颗粒可以在天然的核膜上观察到，而无需借助于洗涤剂的提取。他们使用单颗粒低温电镜（cryo-EM）分析在不同平台倾斜角度下收集的数据，进行三维重建，并使用AlphaFold进行结构预测以建立模型。相关研究结果发表在2022年6月10日的Science期刊上，论文标题为“Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold”。

由于没有非洲爪蟾Nup的高分辨率模型，这些作者分别以6.9埃和6.7埃的分辨率重建了非洲爪蟾NPC的全CR原聚体和一个核心区域的CR图谱，并使用AlphaFold预测了各个Nup的结构。对于任何不明确的亚基相互作用，他们也预测了复杂的结构，这进一步指导了CR原聚体的模型拟合。他们将Nup或复合物结构放入CR密度中，得到一个几乎完整的CR原子模型，它由内侧和外侧Y复合体（Y-complex）、两个Nup205、两个Nup214-Nup88-Nup62复合物、一个Nup155和五个Nup358组成。

特别是，这些作者预测NPC中最大的核孔蛋白Nup358具有一个S形球状结构域、一个卷曲螺旋结构域和一个基本无序的含有苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重复序列的C-末端区域，FG重复序列以前被证明可形成凝胶状的凝结物相，用于选择性地通过货物。四个Nup358夹在内侧和外侧Y复合体周围，以稳定CR，而第五个Nup358位于这个夹起结构的中心位置。AlphaFold还预测了Nup358的同源寡聚体（可能是五聚体）的卷曲螺旋结构域，这可能为Nup358招募到NPC和降低NPC生物发生中Nup358凝结的阈值提供了亲和力。

非洲爪蟾核孔复合体胞质环的低温电镜结构。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm9326。

综上所述，这项新的研究提供了一个综合低温电镜和结构预测的例子，作为从中分辨率密度图中获得更精确的MDa级别蛋白复合物模型的一般方法。这些作者提出的更准确和几乎完整的CR模型扩大了人们对NPC中分子相互作用的理解，代表着向完整的NPC分子结构迈出了实质性的一步，对NPC的功能、生物发生和调节有重要的意义。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Pietro Fontana et al. Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold. Science, 2022, doi:10.1126/science.abm9326.