揭開“聖盃”面紗：核孔複合物胞質環的高解析度冷凍電鏡結構

核孔複合物

（nuclear pore complex，

NPC

）是真核細胞的核膜上負責物質雙向運輸的唯一通道，同時也是真核細胞中最龐大，最複雜的分子機器之一。核孔複合物在維持細胞核的微環境穩態，保護遺傳物質，調控基因表達等方面起著至關重要的作用，其功能異常與包括癌症在內的多種疾病的發生聯絡在一起。NPC的高解析度結構研究對理解真核細胞活動的基本過程，探究核質運輸的結構機制以及探索相關疾病的致病機理都具有重要意義，也是開發相應治療方法和藥物的基礎。

NPC鑲嵌於細胞核的

雙層核膜

（nuclear envelope，

NE

）之上，在從細胞質到細胞核的方向上，主要由胞質絲（cytoplasmic filaments）、

胞質環

（cytoplasmic ring，

CR

），

內環

（inner ring，

IR

）、

腔環

（Luminal ring，

LR

）、

核質環

（nuclear ring，

NR

）和核籃（nuclear basket）組成

（圖1）

。其中，CR、IR和NR構成NPC最穩定的支架部分，其直徑可達約110 nm，高約70 nm。而附著於CR上的胞質絲、附著於NR上的核籃以及主要由IR中的FG重複（FG repeats）構成的擴散屏障（diffusion barrier）則是NPC選擇性運輸的主要執行者。此外，在垂直於NE的方向上，NPC還具有C8對稱性。一個NPC含有約30種不同的核孔蛋白（nucleoporin），每種核孔蛋白的複製數一般為八的倍數，因此一個NPC含有的核孔蛋白數目非常大（500-1000個）。這也導致NPC具有非常大的分子量，在釀酒酵母中約為60 MDa，而在人中則可達約110 MDa。

圖1：NPC的結構示意圖

2022年6月10日，西湖大學施一公團隊在

Science

上線上發表了題為

Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex

的最新研究成果，

報道了目前解析度最高的，NPC中CR亞基的結構。

該研究以非洲爪蟾（Xenopus laevis）NPC為研究物件，單顆粒冷凍電鏡分析為主要研究手段。團隊

共收集46143張電鏡照片，從中人工篩選出33747張可用照片，並進一步挑選出800825個NPC顆粒用於資料處理。經過多輪迭代計算，該團隊最終將NPC中CR亞基重構至3.7-4.7 解析度。

同時，該研究還利用重組表達技術和單顆粒冷凍電鏡分析手段，將脊椎動物中特有的核孔蛋白Nup358的N端結構域解析至3。0 解析度。以這些重構結果為基礎，該團隊最終搭建了迄今為止最完整的CR結構模型

（圖2）

。

圖2：CR亞基的單顆粒冷凍電鏡結構

該模型中CR亞基的主體由兩個Y複合物組成，

此外還包含五個Nup358、兩個Nup205和兩個Nup93分子。

在Y複合物中，

新解析的Nup160的C端片段作為組織中心，在介導三條臂彙集上起著重要作用

。

而Nup358、Nup205和Nup93在輔助以及穩定CR骨架的組裝過程中起著重要的作用

。

結合施一公團隊之前解析的NR和IR高分辨結構，他們搭建了NPC支架部分的結構模型。該模型包含了來自632個核孔蛋白中的約445000個氨基酸殘基，是

目前為止最詳細，且最精確的NPC支架結構模型

（圖3）

，為領域內理解脊椎動物NPC的組成、結構、組裝以及功能提供了堅實的基礎。

圖3。 NPC支架的結構模型

西湖大學生命科學學院博士後

朱薛辰

、

黃高興宇

、

曾超

、

佔謝超

和三年級博士生

梁珂

為該文共同第一作者，

黃高興宇

和

施一公

教授為該文共同通訊作者。

原文連結：

https://doi.org/10.1126/science.abl8280

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製版人：十一

參考文獻

1。 The structure of the nuclear pore complex （an update）。

Annu. Rev. Biochem.

88， 725–783 （2019）。 doi： 10。1146/annurev-biochem-062917-011901。

2。 Cryo-EM structure of the inner ring from the Xenopus laevis nuclear pore complex。

Cell Res.

32， 451–460 （2022）。 doi： 10。1038/s41422-022-00633-x。

3。 Cryo-EM structure of the nuclear ring from Xenopus laevis nuclear pore complex。

Cell Res.

32， 349–358 （2022）。 doi： 10。1038/s41422-021-00610-w。

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