西湖大學施一公團隊首次揭示核孔複合物核質環的冷凍電鏡結構

真核生物的細胞核由雙層的核膜包裹，核孔複合物（nuclear pore complex， NPC）是核膜上負責物質運輸的唯一通道，在調控基因表達方面起著重要作用，其功能異常將導致包括癌症在內的多種疾病的發生。

NPC是真核細胞中最龐大，最複雜的分子機器之一，其高解析度結構的解析一直被視為結構生物學界的“聖盃”之一。近日，西湖大學施一公團隊在Cell Research上線上發表了題為“Cryo-EM structure of the nuclear ring from Xenopus laevis nuclear pore complex”的最新研究成果，報道了目前解析度最高的、NPC中核質環（nuclear ring， NR）亞基的單顆粒冷凍電鏡結構。該研究闡釋了NR的基本構成，並結合該課題組之前對NPC中胞質環（cytoplasmic ring， CR）和內環（inner ring， IR）的結構研究，搭建了目前為止最精確的NPC支架結構模型。這對理解細胞生命活動的基本過程，以及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鑲嵌於雙層核膜（nuclear envelope， NE）上，在從細胞質到細胞核的方向上，主要由胞質絲（cytoplasmicfilaments）、胞質環（cytoplasmic ring， CR），內環（inner ring， IR）、核質環（nuclear ring， NR）和核籃（nuclear basket）組成。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。

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，共收集46143張電鏡照片，從中人工篩選出33747張可用照片，然後從可用照片中人工挑出800825個NPC顆粒用於資料處理。經過多輪複雜運算，最終利用813020個顆粒，重構出5。6 的NR亞基結構，並以此搭建了模型。這是世界上截至目前NR亞基報道的最高解析度。

該模型中NR亞基的主體主要由兩個Y複合物組成，每個Y複合物包含十個不同的核孔蛋白，其中，在NPC重組裝過程中負責與染色體結合的ELYS和Y複合物長臂中的Nup160和Nup37密切接觸。此外，NR亞基中還包含有起到關鍵連線作用的Nup205和Nup93，與CR和IR不同的是，這兩個分子在NR中的複製數均為一。Nup93和Nup205在同一個NR亞基中連線內、外Y複合物，Nup93還進一步利用其N端的長螺旋與相鄰亞基中Nup205的C端結合，二者對維持NR的結構穩定起著重要作用。

最後，結合施一公團隊之前解析的CR和IR高分辨結構，該研究還搭建NPC支架結構模型。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，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。

西湖大學施一公團隊博士後黃高興宇、佔謝超、曾超、朱薛辰和博士生梁珂為本文共同第一作者，黃高興宇和施一公為本文共同通訊作者。研究得到了國家自然科學基金、西湖大學、西湖實驗室、西湖教育基金會以及中國博士後科學基金會的支援。

【來源：城西科創產業集聚區管委會】

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