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Science:施一公团队构建目前为止世界上最精确的脊椎动物NPC胞质环结构模型

时间: 2022-06-23

来源:中国生物技术网,原题:《Science:施一公团队构建目前为止世界上最精确的脊椎动物NPC胞质环结构模型》

大约在12~16亿年前,原始的真核细胞出现。除细菌和蓝藻外,真核生物几乎涵盖了所有动物和植物,当然也包括人类。

在真核细胞的微观世界中,核孔复合物(nuclear pore complex, NPC)是其中最庞大、最复杂的分子机器之一,也是在核膜上负责物质双向运输的唯一通道,其功能异常与包括癌症在内的多种疾病的发生联系在一起。NPC的高分辨率结构解析一直被视为结构生物学界的“圣杯”之一。

2022年6月10日,西湖大学施一公团队在Science上在线发表了题为“Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex”的最新研究成果,报道了目前分辨率最高的NPC中胞质环(CR)亚基的结构。

此前,该团队已成功解析了NPC中核质环(NR)和内环(IR)的高分辨结构,加上此次解析的CR亚基结构,三者共同构成了目前为止最详细且最精确的NPC支架结构模型,为理解脊椎动物NPC的组成、结构、组装以及功能提供了坚实的基础。同时,该模型还提供了多个疾病相关的基因突变在NPC中的位置信息,为疾病诊断以及后续药物开发提供了宝贵的依据。

NPC镶嵌于细胞核的双层核膜(nuclear envelope, NE)之上,在从细胞质到细胞核的方向上,主要由胞质丝(cytoplasmic filaments, CF)、CR、IR、腔环(luminal ring, LR)、NR和核篮(nuclear basket, NB)组成。其中,CR、IR和NR构成NPC最稳定的支架部分,是结构生物学领域关注的重点。

NPC的结构示意图

由于NPC分子具有巨大的尺寸和结构柔性,获得完整NPC支架的高分辨率结构具有极高难度。该团队创新性地利用倾转样品台的办法对包埋在核膜中的完整NPC分子进行研究。通过将NPC支架部分拆分成CR、IR和NR三个环状结构,并在各个环内进一步拆分成各个稳定区域,分别进行颗粒对中和三维重构,团队最终获得了迄今为止分辨率最高的核孔复合物CR亚基的冷冻电镜结构,分辨率达3.7-4.7 Å。同时,该团队还利用重组表达技术和单颗粒冷冻电镜分析手段,将Nup358的N端结构域解析至3.0 Å分辨率。以这些重构结果为基础,该团队最终搭建了迄今为止最完整且最精确的CR结构模型。

该模型中CR亚基的主体由两个Y复合物组成,此外还包含五个Nup358、两个Nup205和两个Nup93分子。在Y复合物中,新解析的Nup160的C端片段作为组织中心,在介导三条臂汇集上起着重要作用。而Nup358、Nup205和Nup93在辅助以及稳定CR骨架的组装过程中起着重要的作用。

CR亚基的单颗粒冷冻电镜结构

施一公团队已深耕NPC结构领域多年。2020年5月至今,该团队先后在Cell Research发表多篇研究论文,报道了非洲爪蟾卵母细胞的 NPC 的腔环(LR)、胞质环(CR)、核质环(NR)、内环(IR)的冷冻电镜结构。他们克服多项技术障碍,从初步确认整体结构再到深入刻画复合物细节,逐步揭开了核孔复合物的神秘面纱。

NPC支架的结构模型

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280


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