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真核生物的细胞核由双层的核膜包裹,核孔复合物(nuclear pore complex, NPC)是核膜上负责物质运输的唯一通道,在调控基因表达方面起着重要作用,其功能异常将导致包括癌症在内的多种疾病的发生。
NPC是真核细胞中最庞大,最复杂的分子机器之一,其高分辨率结构的解析一直被视为结构生物学界的“圣杯”之一。近日,西湖大学施一公团队在Cell Research上在线发表了题为“Cryo-EM structure of the nuclear ring from Xenopus laevis nuclear pore complex”的最新研究成果,报道了目前分辨率最高的、NPC中核质环(nuclear ring, NR)亚基的单颗粒冷冻电镜结构。该研究阐释了NR的基本构成,并结合该课题组之前对NPC中胞质环(cytoplasmic ring, CR)和内环(inner ring, IR)的结构研究,搭建了目前为止最精确的NPC支架结构模型。这对理解细胞生命活动的基本过程,以及相关疾病的致病机理都具有重要意义,也是开发相应治疗方法和药物的基础。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41422-021-00610-w
NPC镶嵌于双层核膜(nuclear envelope, NE)上,在从细胞质到细胞核的方向上,主要由胞质丝(cytoplasmicfilaments)、胞质环(cytoplasmic ring, CR),内环(inner ring, IR)、核质环(nuclear ring, NR)和核篮(nuclear basket)组成。其中,CR、IR和NR构成NPC最稳定的支架部分,其直径可达约110 nm,高约70 nm。而附着于CR上的胞质丝、附着于NR上的核篮以及主要由IR中的FG重复(FG repeats)构成的扩散屏障(diffusion barrier)则是NPC选择性运输的主要执行者。此外,在垂直于NE的方向上,NPC还具有C8对称性。一个NPC含有约30种不同的核孔蛋白(nucleoporin),每种核孔蛋白的拷贝数一般为八的倍数,因此一个NPC含有的核孔蛋白数目非常大(500-1000个)。这也导致NPC具有非常大的分子量,在酿酒酵母中约为60 MDa,而在人中则可达约110 MDa。
人源NPC的结构示意图 (Lin and Hoelz, Annu.Rev. Biochem., 2019)
该研究以非洲爪蟾(Xenopus laevis)NPC为研究对象,单颗粒冷冻电镜分析为主要研究手段,共收集46143张电镜照片,从中人工筛选出33747张可用照片,然后从可用照片中人工挑出800825个NPC颗粒用于数据处理。经过多轮复杂运算,最终利用813020个颗粒,重构出5.6 Å的NR亚基结构,并以此搭建了模型。这是世界上截至目前NR亚基报道的最高分辨率。
NR亚基的单颗粒冷冻电镜结构
该模型中NR亚基的主体主要由两个Y复合物组成,每个Y复合物包含十个不同的核孔蛋白,其中,在NPC重组装过程中负责与染色体结合的ELYS和Y复合物长臂中的Nup160和Nup37密切接触。此外,NR亚基中还包含有起到关键连接作用的Nup205和Nup93,与CR和IR不同的是,这两个分子在NR中的拷贝数均为一。Nup93和Nup205在同一个NR亚基中连接内、外Y复合物,Nup93还进一步利用其N端的长螺旋与相邻亚基中Nup205的C端结合,二者对维持NR的结构稳定起着重要作用。
最后,结合施一公团队之前解析的CR和IR高分辨结构,该研究还搭建NPC支架结构模型。该模型包含了来自632个核孔蛋白中的约445000个氨基酸残基,是目前为止最详细,且最精确的NPC支架结构模型,为领域内理解脊椎动物NPC的组成、结构、组装以及功能提供了坚实的基础。
NPC支架的结构模型
西湖大学施一公团队博士后黄高兴宇、占谢超、曾超、朱薛辰和博士生梁珂为本文共同第一作者,黄高兴宇和施一公为本文共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室、西湖教育基金会以及中国博士后科学基金会的支持。
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