RanBP2/SUMO1-RanGAP1/Ubc9/Crm1/Ran(GTP)复合物的结构解析揭示核孔蛋白输出机制与有丝分裂调控新机制

本研究通过冷冻电镜技术解析了RanBP2/SUMO1-RanGAP1/Ubc9/Crm1/Ran(GTP)复合物的高分辨率结构，揭示了核孔蛋白RanBP2通过其C端片段与SUMO1修饰的RanGAP1、E2连接酶Ubc9、输出蛋白Crm1及Ran GTPase形成多组分复合物的分子机制。研究发现RanGAP1的N端螺旋作为核输出信号(NES)与Crm1结合，调控Ran GTPase的细胞定位；同时证实RanBP2的E3连接酶活性依赖于Crm1和Ran GTPase循环。该研究为理解核质运输和有丝分裂中SUMO化修饰的时空调控提供了结构基础，发表于《Nature Communications》。

　　

细胞核与细胞质之间的物质运输是生命活动的核心过程之一，核孔复合物(NPC)作为"守门人"控制着这一关键通道。在NPC的胞质侧，核孔蛋白RanBP2/Nup358与SUMO1修饰的RanGAP1和E2连接酶Ubc9形成稳定复合物，不仅参与核质运输，还在有丝分裂期间被招募到动粒和纺锤体上。然而，这些复杂相互作用的分子机制和调控原理长期未明，特别是RanBP2如何协调其作为SUMO E3连接酶的功能与核质运输的关系，以及RanGAP1的核质穿梭机制等问题亟待解答。

美国斯隆-凯特琳癌症研究所(MSKCC)的研究人员通过冷冻电镜技术，成功解析了RanBP2 C端片段(RanBP2^RBD4)与SUMO1-RanGAP1/Ubc9/Crm1/RanQ69L(GTP)形成的复合物结构，分辨率达到3.18 ?。研究综合运用了冷冻电镜三维重构、细胞生物学实验和体外SUMO化修饰分析等技术方法，其中冷冻电镜数据采集使用了Titan Krios 300 kV电镜和K2 Summit直接探测器，图像处理采用RELION 3.0和cryoSPARC2软件；细胞实验利用CRISPR-Cas9技术构建了RanGAP1 NES缺失突变体，并通过免疫荧光和Western blot分析其功能影响；体外生化实验则重建了染色体乘客复合物(CPC)的SUMO化修饰体系。

结构解析揭示复合物组装机制
冷冻电镜结构显示，RanBP2^RBD4片段通过其FG1和FG2重复序列与Crm1的HEAT重复结构域形成多价相互作用。其中FG1结合Crm1的HEAT 14-16重复，而FG2以独特构象环绕HEAT 2-7重复，这种双FG结合模式不同于已知的Nup214或Nup42p等核孔蛋白。结构分析还发现RanBP2的IR1模体与SUMO1-RanGAP1^CTD/Ubc9稳定结合，而IR2模体则因高度柔性未被解析，这与前人提出的IR1作为主要结合位点的假说一致。

RanGAP1 NES的发现与功能验证
研究首次鉴定出RanGAP1的N端1-18位氨基酸构成非典型核输出信号(NES)，其疏水残基(Ile6、Leu9、Leu13、Thr16)嵌入Crm1的NES结合口袋。通过构建RanGAP1^ΔNES突变体，发现缺失NES导致RanGAP1核积累和Ran GTPase的胞质错误定位。有趣的是，这种定位紊乱并未影响经典核定位信号(NLS)和核输出信号(NES)报告系统的运输效率，暗示细胞可能存在补偿机制。

Ran GTPase循环调控E3连接酶活性
体外SUMO化实验表明，RanBP2的E3连接酶活性主要依赖IR1模体而非IR2。当Ran被锁定在GTP结合状态(RanQ69L)时，SUMO2对染色体乘客复合物组分Borealin的修饰显著减弱；而加入Crm1后，这种抑制效应依赖于RanGAP1 NES的存在。这些结果支持一个模型：在有丝分裂中，高Ran(GTP)环境可能暂时抑制RanBP2的E3活性，确保SUMO化修饰在正确时空发生。

讨论与意义
该研究通过高分辨率结构解析，阐明了核孔复合物胞质纤维中关键组装的分子基础。发现RanGAP1 NES为理解其核质穿梭提供了机制解释，而Ran GTPase状态对E3活性的调控则揭示了核质运输与SUMO化修饰的偶联机制。特别值得注意的是，虽然RanGAP1^ΔNES表现出明显的定位缺陷，但有丝分裂进程未受影响，这可能与SUMO1修饰的功能冗余有关。

这项发表于《Nature Communications》的研究不仅解决了核孔复合物生物学中的关键问题，也为开发针对核质运输异常相关疾病(如某些癌症和神经退行性疾病)的干预策略提供了新靶点。未来研究可进一步探索RanBP2复合物在不同细胞周期阶段的动态组装，以及其E3连接酶活性的精确时空调控机制。