《Nature》人类核孔复合体有几环?

【字体: 时间:2021年10月19日 来源:scitechdaily biology

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  研究人员设计了一种方法来研究细胞内部一个叫做核孔复合体(NPC)的巨大的甜甜圈形状的结构。他们的结果显示,孔的尺寸比之前认为的要大,这强调了在自然环境中分析复杂分子的重要性。

  

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人类核孔复合体的模型描绘了构成孔的三环的主要蛋白质。CR =胞质环,IR =内环,NR =核质环

从上到下:胞质环呈蓝色和黄色;内环是橙色和粉红色的;核质环是浅蓝色和金色的。

研究人员通过直接研究细胞内部的核孔复合物,收集到一种结构的更完整的图像。

环境很重要。生命的许多方面都是如此,包括在我们细胞内执行重要功能的微小分子机器。

科学家经常净化细胞成分,如蛋白质或细胞器,以便单独检查它们。然而,2021年10月13日发表在《自然》(Nature)杂志上的一项新研究表明,这种做法可能会彻底改变有问题的成分。

研究人员设计了一种方法来研究细胞内部一个叫做核孔复合体(NPC)的巨大的甜甜圈形状的结构。他们的结果显示,孔的尺寸比之前认为的要大,这强调了在自然环境中分析复杂分子的重要性。

“我们已经证明,细胞环境对像NPC这样的大型结构有重大影响,这是我们开始时没有预料到的,”麻省理工学院生物学教授、该研究的共同高级作者托马斯·施瓦茨(Thomas Schwartz)说。“科学家们通常认为大分子足够稳定,可以在细胞内外保持它们的基本属性,但我们的发现颠覆了这一假设。”

在像人类和动物这样的真核生物中,大多数细胞的DNA储存在一个叫做细胞核的圆形结构中。细胞器被核膜保护着,核膜是一种保护屏障,将细胞核中的遗传物质与充满细胞其余部分的浓稠液体隔开。但是分子仍然需要一种进出细胞核的方式来促进包括基因表达在内的重要过程。这就是NPC的作用所在。成百上千的小孔嵌在核膜中,为某些分子提供通道。

该研究的第一作者,前麻省理工学院博士后Anthony Schuller,将NPC比作体育场的大门。他解释道:“如果你想进入游戏内部,你必须出示门票,并通过其中一个门。

近距离观察核孔复合体

以人类的标准来看,NPC可能很小,但它是细胞中最大的结构之一。它由大约500个蛋白质组成,这使得它的结构难以解析。传统上,科学家们用X射线晶体学的方法将其分解成单个成分进行零碎的研究。根据Schwartz的说法,在更自然的环境中分析NPC的技术直到最近才出现。

Schuller和Schwartz与苏黎世大学的研究人员一起,采用了两种尖端方法来解决孔隙结构:低温聚焦离子束(cryo-FIB)铣削和低温电子断层扫描(cryo-ET)。

整个细胞太厚,在电子显微镜下看不见。但研究人员使用麻省理工学院的cryo-FIB设备将冷冻的结肠细胞切成薄层。在此过程中,团队捕捉了包含NPC的细胞横截面,而不是简单地孤立地观察NPC。

“这种方法的惊人之处在于,我们几乎没有对细胞进行任何操作,”Schwartz说。“我们没有扰乱细胞的内部结构。这是革命”。

研究人员在显微镜下看到的图像与现有的NPC描述非常不同。他们惊讶地发现,形成孔隙中心通道的最内环结构比之前认为的要宽得多。当它留在自然环境中,孔隙打开多达57纳米,导致体积比之前的估计增加了75%。该团队还能够更仔细地观察NPC的各种组件是如何一起工作来定义孔隙的尺寸和整体结构的。

“我们已经证明了细胞环境影响NPC结构,但现在我们必须弄清楚如何以及为什么,”Schuller说。他补充说,并不是所有的蛋白质都能被纯化,所以cryo-ET和cryo-FIB的结合也将有助于检查各种其他细胞成分。“这种双重方式开启了一切。”

“这篇论文很好地说明了技术的进步,在这个例子中,低温聚焦离子束铣削人体细胞的低温电子断层扫描,为细胞结构提供了一个新的图像,”德国亚亨工业大学生物化学教授Wolfram Antonin说,他没有参与这项研究。“NPC中央输送通道的直径比之前认为的要大,这一事实暗示了孔隙可能具有令人印象深刻的结构灵活性。这对细胞适应不断增长的运输需求可能很重要。”

接下来,Schuller和Schwartz希望了解小孔的大小如何影响哪些分子可以通过。例如,科学家们最近才确定这个孔足够大,可以让像HIV这样的完整病毒进入细胞核。同样的原理也适用于医学治疗:只有具有特定性质的适当大小的药物才能获得细胞的DNA。

Schwartz特别想知道是否所有NPC都是一样的,或者它们的结构是否因物种或细胞类型而不同。

他说:“我们一直在对细胞进行操纵,并将单个成分从它们的原生环境中提取出来。现在我们知道,这种方法可能会产生比我们想象的更大的后果。”

更多参考信息请查看“The cellular environment shapes the nuclear pore complex architecture” by Anthony P. Schuller, Matthias Wojtynek, David Mankus, Meltem Tatli, Rafael Kronenberg-Tenga, Saroj G. Regmi, Phat V. Dip, Abigail K. R. Lytton-Jean, Edward J. Brignole, Mary Dasso, Karsten Weis, Ohad Medalia and Thomas U. Schwartz, 13 October 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03985-3

 

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