Science：X射線第一次幫助研究人員拼湊出珍貴的細胞通道

你的身體是由近100萬億個細胞組成的，它們讓你保持健康和活力。每個細胞都有自己的數十億個部分，所有這些部分都協同工作，以保持生命的程序。

細胞的一個重要組成部分被稱為核孔，它的作用就像房子裡的門和窗戶——它們允許像RNA和蛋白質這樣的重要物質進出細胞核。沒有核孔，你的細胞和身體裡的其他一切都會停止工作。到目前為止，科學家們還沒有確切地看到核孔是如何形成的，以及它們的許多部分是如何運作的。

來自加州理工學院（Caltech）的一組研究人員加入了進來，他們的領導是André Hoelz，霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的化學和生物化學教授。經過近二十年的堅持，研究人員透過確定核孔複合物（NPC）的許多成分的結構並將它們組合在一起，成功地繪製了核孔複合物（NPC）的原子結構。瞭解鼻咽癌是如何在細胞中結合在一起的，將進一步加深我們對細胞如何工作的理解，並可能為某些癌症、自身免疫和神經退行性疾病以及某些心臟疾病帶來新的治療方法。

解開NPC需要時間，因為這不是一個簡單的謎題，不像那些在盒子裡等待碎片的謎題。它包含超過1000種單獨的蛋白質，科學家們可能需要數年時間才能繪製出一個單獨的蛋白質，然後才能將它們組合在一起。整個過程就像一個巨大的三維拼圖遊戲，但它是由非常小的碎片組成的，你無法用肉眼看到它們，甚至用最好的光學顯微鏡也無法看到它們。

為了實現這一里程碑式的突破，加州理工學院的研究團隊利用了美國能源部SLAC國家加速器實驗室的斯坦福同步輻射光源(SSRL)、美國能源部阿貢國家實驗室的先進光子光源以及美國布魯克海文國家實驗室的國家同步輻射光源II產生的高能x射線。在多年來的許多實驗中，他們用x射線照射晶體化的NPC蛋白樣品，照亮樣品的原子結構和整體形狀。

他們本月在《科學》雜誌上發表了兩篇論文。第一篇論文報道了細胞核外部的面部結構，第二篇論文揭示了NPC的許多碎片是如何由“粘合”蛋白質連線在一起的。

SLAC高階科學家艾娜·科恩說：“x射線晶體學提供了單個蛋白質成分的原子細節。”“隨著技術的不斷進步，包括SLAC的SSRL，研究人員已經能夠以更清晰的方式看到核孔複合物，這樣他們就可以將不同的蛋白質組合在一起，完成這個複雜的謎題。”

Hoelz說，如果沒有SSRL多年來的技術升級，例如微聚焦能力和2009年安裝的畫素陣列探測器(PAD)，這項研究就不可能發生。SSRL擁有美國最早的pad之一，探測器產生了比以前更好的x射線衍射資料，幫助加州理工學院的研究人員繪製出NPC的蛋白質結構。

2015年，研究人員確定了一個大的六蛋白塊的晶體結構，並確定了它在核孔中的排列，這表明，只要有耐心和勤奮，研究人員最終可以提供整個NPC的完整影象。

Hoelz說:“由於我們透過加州理工學院的分子天文臺(一個可以訪問SSRL的Beam Line 12-2的x射線晶體學裝置)獲得了充分的訪問許可權，SSRL是進行大多數初始結構工作的設施。”“這種定期訪問允許系統地改進x射線衍射實驗的各個方面，這使我們能夠解決最具挑戰性的核孔蛋白結構測定問題。

在解決這些問題之前，我們對多個結構進行了10多年的研究。”

加州理工學院化學高階博士後研究員、該研究的第一作者之一Christopher Bley說，完成的人類NPC謎題將提供一個框架，現在可以在這個框架上進行許多重要的實驗。

“我們現在有了這種複合結構，它為未來關於鼻咽癌功能甚至疾病的實驗提供了條件，NPC中有很多突變都與可怕的疾病有關，瞭解它們在結構中的位置以及它們是如何聚集在一起的，可以幫助設計下一組實驗，試圖回答這些突變在做什麼。”

Hoelz說，在確定了人類鼻咽癌的結構後，科學家現在可以專注於研究各種謎一樣的鼻咽癌功能的分子基礎，如mRNA是如何輸出的，許多與鼻咽癌相關的疾病的潛在原因，以及許多病毒（包括SARS-CoV-2和猴痘病毒）對鼻咽癌功能的靶向，以開發新的治療方法為目標。

SSRL、APS和NSLS-II是美國能源部科學辦公室的使用者設施。這項研究由HHMI、國立衛生研究院和傳統醫學研究所資助。