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在细胞分化过程中，NPC 突变引发特定组织疾病的机制不明，为解决此问题，研究人员以 Nup133-/-小鼠胚胎干细胞（mES）为模型开展核孔复合体（NPC）相关研究。结果发现 Nup133 缺失影响 NPC 结构和核膜完整性，该研究为理解相关疾病机制提供新思路。
在微观的细胞世界里，细胞核如同一个神秘的 “指挥中心”，储存着遗传物质，对细胞的生存起着至关重要的作用。而核膜，就像是 “指挥中心” 的坚固城墙，将细胞核与细胞质分隔开来，保护着遗传物质的安全。核孔复合体（NPC）则是镶嵌在这堵城墙上的 “特殊通道”，负责调控细胞核与细胞质之间的物质交换，对于真核生物来说，它的正常运作不可或缺。
然而，近年来科学家们发现，NPC 的中央支架成分发生突变时，会引发一系列遗传疾病。令人困惑的是，这些突变为何只在特定组织中表现出病症，这一问题就像一团迷雾，笼罩在科研人员的心头。以 Nup133 缺陷的小鼠胚胎干细胞（mES）为例，在多能性阶段，它能正常生长，可一旦分化为神经元，就会出现严重问题，这背后的机制究竟是什么呢？为了揭开这层神秘的面纱，来自德国马克斯?普朗克生物物理研究所、法国巴黎西岱大学等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Cell Biology》上。
研究人员主要运用了冷冻电镜断层扫描（cryo-ET）和三维模板匹配（TM）等关键技术。通过 cryo-ET，他们能够在接近生理状态下观察 NPC 的精细结构；TM 技术则帮助分析 NPC 亚基的异质性存在情况。实验样本主要来源于野生型和 Nup133 缺陷的 mES 细胞，以及由它们分化而来的神经祖细胞，部分研究还涉及人巨噬细胞的冷冻电镜数据集。
NPCs 在 mES 细胞神经元分化过程中扩张：研究人员将 mES 细胞诱导分化为神经祖细胞，借助 cryo-ET 和亚断层平均分析技术，对野生型 mES 细胞和神经祖细胞的 NPCs 进行结构分析。结果发现，与 mES 细胞相比，神经祖细胞的 NPCs 发生了扩张，表现为细胞质环（CR）向内移动、核膜融合点处核膜曲率增加，且 NPC 直径显著增大。同时，神经祖细胞的核膜厚度变薄，这与 NPCs 的扩张现象相互关联，表明 NPC 结构在细胞分化过程中受到了影响。
Nup133-/- NPCs 保留原聚体之间的残余接触：尽管 Nup133 在 mES 细胞增殖中并非必需，但对其向成熟神经元的终末分化至关重要。研究人员对 Nup133-/- mES 细胞的 NPCs 进行结构分析，发现虽然 CR 和 NR 中 Nup133 的密度缺失，但 CR 和 NR 整体结构仍保持完整，相邻原聚体在 Nup107-Nup205/Nup93 异二聚体区域存在连接，不过核篮相关结构有所减少。
Nup133-/- NPCs 在神经元分化过程中收缩：研究人员进一步分析 Nup133 缺陷的神经祖细胞的 NPC 结构，发现与 Nup133-/- mES 细胞相比，其 NPCs 直径缩小，这与野生型细胞在分化过程中 NPCs 扩张的情况相反。结合核膜厚度在 Nup133-/-神经祖细胞中同样减小的现象，表明分化对核膜特性的影响在 Nup133 缺陷的细胞中未能正常传递给 NPCs，暗示了 Y - 复合体结构完整性与核膜机械性能之间可能存在联系。
部分 Nup133-/- NPCs 表现出非规范对称性：研究人员在 Nup133-/- mES 细胞中发现了具有非规范七重或九重对称结构的 NPCs，而野生型 mES 细胞中此类 NPCs 极为罕见。通过亚断层平均分析，发现这些非规范对称 NPCs 的内环（IR）结构相对完整，而 CR 和 NR 部分则出现退化或缺失，且不同对称类型的 NPCs 其 CR 和 NR 的完整性存在差异，这表明 Nup133 缺失会导致 NPCs 结构的异质性增加。
Nup133-/- NPCs 具有异质性，环结构不完整：利用三维模板匹配（TM）技术对 Nup133-/- mES 细胞中具有非规范对称性的 NPCs 进行分析，发现部分 NPCs 的 CR 和 NR 原聚体缺失或数量减少，呈现不完整的环结构。在八重对称的 NPCs 中，Nup133-/-细胞的 NPCs 也更常表现出异质性和不完整的环结构，这说明 Nup133 的缺失会全面影响 CR 和 NR 的结构完整性和对称性。
NPC 过度拉伸导致核膜开口：基于 NPC 支架类似环形弹簧的特性，研究人员推测不完整环结构的 NPCs 可能会在分化过程中过度拉伸甚至解体。对 Nup133-/-神经祖细胞的研究发现，核膜上存在异常大的开口，且这些开口处检测到 NPC 亚基，表明这些开口可能是过度拉伸和解体的 NPCs 所致。此外，在野生型神经祖细胞和人巨噬细胞中也发现了过度拉伸的 NPCs，尽管其结构特征存在差异，但都表明 NPC 过度拉伸现象在不同细胞类型中普遍存在。
Nup133-/- NPCs 在分化时频繁解体：研究人员通过测量核膜开口大小来评估 NPCs 的拉伸情况，发现野生型神经祖细胞中 NPCs 的拉伸频率高于 mES 细胞，而 Nup133-/-细胞中的频率更高，且在分化过程中 NPCs 的拉伸程度更大、更不稳定。这表明分化过程中核膜张力的增加可能导致 Nup133-/-细胞中的 NPCs 过度拉伸和解体，进而影响细胞分化，这可能是 Nup133-/-细胞分化缺陷表型的一个重要原因。
Nup133 神经元前体表现出核完整性缺陷：由于 Nup133-/-神经祖细胞中过度拉伸和解体的 NPCs 频率增加，研究人员推测这可能会影响后续的神经元分化过程。通过检测神经元前体中的 DNA 损伤水平，发现 Nup133-/-神经元前体在分化 24 小时后，DNA 损伤指标 γ - H2AX 和 53BP1 焦点数量显著增加，且细胞核形态发生变化，变得更扁平，同时核内 YAP（yes - associated protein 1）水平升高，这些现象表明 Nup133 缺失导致的核膜完整性和机械性能异常在神经元分化过程中可能发挥重要作用。
在这项研究中，研究人员通过一系列实验，揭示了 NPC 支架在细胞分化过程中的重要作用。完整的 NPC 支架对于维持 NPC 的整体结构和完整性至关重要，它能够保护核膜免受过度拉伸和损伤。Nup133 作为 NPC 支架的关键组成部分，其缺失会导致 NPC 结构异常，使 NPC 对机械应力的缓冲能力丧失，进而影响核膜的稳定性。这一研究不仅为理解 NPC 突变引发特定组织疾病的机制提供了重要线索，还对相关遗传疾病的研究具有重要意义。例如，Nup133 基因的突变与类固醇抵抗性肾病综合征（SRNS）和 Galloway - Mowat 综合征等疾病相关，该研究有助于深入探究这些疾病的发病机制，为未来的疾病治疗和干预提供新的理论依据和潜在靶点。同时，研究中发现的 NPC 结构异质性等现象，也为后续 NPC 相关研究开辟了新的方向，推动了生命科学领域对核膜与 NPC 关系的进一步探索。
