核孔復合體（nuclear pore complex, NPC）是真核細胞核膜上的分子通道，調(diào)節(jié)細胞核和細胞質(zhì)之間生物大分子的輸入和輸出。脊椎動物NPC的分子質(zhì)量約110～125兆道爾頓（MDa），直徑約120納米。NPC被組裝成四個主要的環(huán)：位于細胞質(zhì)一側(cè)的細胞質(zhì)環(huán)（cytoplasmic ring, CR）、位于核膜平面上的內(nèi)環(huán)（inner ring）和管狀環(huán)（luminal ring）以及面向細胞核的核環(huán)（nuclear ring）。每個環(huán)都擁有近似八倍的對稱性，由不同的核孔蛋白（nucleoporin, Nup）的多個拷貝組成。NPC參與了許多生物過程，其功能障礙與越來越多的嚴重人類疾病有關(guān)。然而，盡管過去二十年來許多研究小組進行了開創(chuàng)性的研究，但是人們?nèi)匀粚PC的組裝、動態(tài)和復雜性缺乏充分的了解。

在一項新的研究中，來自哈佛醫(yī)學院和波士頓兒童醫(yī)院等研究機構(gòu)的研究人員使用非洲爪蟾（Xenopus laevis）卵母細胞作為結(jié)構(gòu)表征的模型系統(tǒng)，因為這種動物的每個卵母細胞都擁有大量的NPC顆粒，這些顆?？梢栽谔烊坏暮四ど嫌^察到，而無需借助于洗滌劑的提取。他們使用單顆粒低溫電鏡（cryo-EM）分析在不同平臺傾斜角度下收集的數(shù)據(jù)，進行三維重建，并使用AlphaFold進行結(jié)構(gòu)預測以建立模型。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2022年6月10日的Science期刊上，論文標題為“Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold”。

由于沒有非洲爪蟾Nup的高分辨率模型，這些作者分別以6.9埃和6.7埃的分辨率重建了非洲爪蟾NPC的全CR原聚體和一個核心區(qū)域的CR圖譜，并使用AlphaFold預測了各個Nup的結(jié)構(gòu)。對于任何不明確的亞基相互作用，他們也預測了復雜的結(jié)構(gòu)，這進一步指導了CR原聚體的模型擬合。他們將Nup或復合物結(jié)構(gòu)放入CR密度中，得到一個幾乎完整的CR原子模型，它由內(nèi)側(cè)和外側(cè)Y復合體（Y-complex）、兩個Nup205、兩個Nup214-Nup88-Nup62復合物、一個Nup155和五個Nup358組成。

特別是，這些作者預測NPC中最大的核孔蛋白Nup358具有一個S形球狀結(jié)構(gòu)域、一個卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域和一個基本無序的含有苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重復序列的C-末端區(qū)域，F(xiàn)G重復序列以前被證明可形成凝膠狀的凝結(jié)物相，用于選擇性地通過貨物。四個Nup358夾在內(nèi)側(cè)和外側(cè)Y復合體周圍，以穩(wěn)定CR，而第五個Nup358位于這個夾起結(jié)構(gòu)的中心位置。AlphaFold還預測了Nup358的同源寡聚體（可能是五聚體）的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域，這可能為Nup358招募到NPC和降低NPC生物發(fā)生中Nup358凝結(jié)的閾值提供了親和力。

非洲爪蟾核孔復合體胞質(zhì)環(huán)的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。圖片來自Science, 2022, doi:10.1126/science.abm9326。

綜上所述，這項新的研究提供了一個綜合低溫電鏡和結(jié)構(gòu)預測的例子，作為從中分辨率密度圖中獲得更精確的MDa級別蛋白復合物模型的一般方法。這些作者提出的更準確和幾乎完整的CR模型擴大了人們對NPC中分子相互作用的理解，代表著向完整的NPC分子結(jié)構(gòu)邁出了實質(zhì)性的一步，對NPC的功能、生物發(fā)生和調(diào)節(jié)有重要的意義。（生物谷 Bioon.com）

參考資料：

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.