2022年6月10日，西湖大學(xué)施一公團隊在Science上在線發(fā)表了題為“Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex”的最新研究成果，報道了目前分辨率最高的NPC中胞質(zhì)環(huán)（CR）亞基的結(jié)構(gòu)。

此前，該團隊已成功解析了NPC中核質(zhì)環(huán)（NR）和內(nèi)環(huán)（IR）的高分辨結(jié)構(gòu)，加上此次解析的CR亞基結(jié)構(gòu)，三者共同構(gòu)成了目前為止最詳細(xì)且最精確的NPC支架結(jié)構(gòu)模型，為理解脊椎動物NPC的組成、結(jié)構(gòu)、組裝以及功能提供了堅實的基礎(chǔ)。同時，該模型還提供了多個疾病相關(guān)的基因突變在NPC中的位置信息，為疾病診斷以及后續(xù)藥物開發(fā)提供了寶貴的依據(jù)。

在真核細(xì)胞的微觀世界中，核孔復(fù)合物（nuclear pore complex, NPC）是其中最龐大、最復(fù)雜的分子機器之一，也是在核膜上負(fù)責(zé)物質(zhì)雙向運輸?shù)奈ㄒ煌ǖ?，其功能異常與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生聯(lián)系在一起。NPC的高分辨率結(jié)構(gòu)解析一直被視為結(jié)構(gòu)生物學(xué)界的“圣杯”之一。

NPC鑲嵌于細(xì)胞核的雙層核膜（nuclear envelope, NE）之上，在從細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核的方向上，主要由胞質(zhì)絲（cytoplasmic filaments, CF）、CR、IR、腔環(huán)（luminal ring, LR）、NR和核籃（nuclear basket, NB）組成。其中，CR、IR和NR構(gòu)成NPC最穩(wěn)定的支架部分，是結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點。

NPC的結(jié)構(gòu)示意圖

由于NPC分子具有巨大的尺寸和結(jié)構(gòu)柔性，獲得完整NPC支架的高分辨率結(jié)構(gòu)具有極高難度。該團隊創(chuàng)新性地利用傾轉(zhuǎn)樣品臺的辦法對包埋在核膜中的完整NPC分子進行研究。通過將NPC支架部分拆分成CR、IR和NR三個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并在各個環(huán)內(nèi)進一步拆分成各個穩(wěn)定區(qū)域，分別進行顆粒對中和三維重構(gòu)，團隊最終獲得了迄今為止分辨率最高的核孔復(fù)合物CR亞基的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率達3.7-4.7 ?。同時，該團隊還利用重組表達技術(shù)和單顆粒冷凍電鏡分析手段，將Nup358的N端結(jié)構(gòu)域解析至3.0 ?分辨率。以這些重構(gòu)結(jié)果為基礎(chǔ)，該團隊最終搭建了迄今為止最完整且最精確的CR結(jié)構(gòu)模型。

該模型中CR亞基的主體由兩個Y復(fù)合物組成，此外還包含五個Nup358、兩個Nup205和兩個Nup93分子。在Y復(fù)合物中，新解析的Nup160的C端片段作為組織中心，在介導(dǎo)三條臂匯集上起著重要作用。而Nup358、Nup205和Nup93在輔助以及穩(wěn)定CR骨架的組裝過程中起著重要的作用。

CR亞基的單顆粒冷凍電鏡結(jié)構(gòu)

施一公團隊已深耕NPC結(jié)構(gòu)領(lǐng)域多年。2020年5月至今，該團隊先后在Cell Research發(fā)表多篇研究論文，報道了非洲爪蟾卵母細(xì)胞的 NPC 的腔環(huán)（LR）、胞質(zhì)環(huán)（CR）、核質(zhì)環(huán)（NR）、內(nèi)環(huán)（IR）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。他們克服多項技術(shù)障礙，從初步確認(rèn)整體結(jié)構(gòu)再到深入刻畫復(fù)合物細(xì)節(jié)，逐步揭開了核孔復(fù)合物的神秘面紗。

NPC支架的結(jié)構(gòu)模型