人类破译细胞关键部分秘密

　　编辑推荐：André Hoelz领导的团队在我们对核孔复合体的理解上取得了两大飞跃，核孔复合体是一个重要的细胞通道。
　　核孔复合体(NPC)能够膨胀和收缩以适应细胞的需要。
　　无论你在做什么，无论是开车、慢跑，还是最懒的时候，在沙发上吃薯片、看电视，你的每个细胞里都有一套完整的分子机器在努力工作。这种机器太小，肉眼甚至用显微镜都看不见，它为细胞创造能量，制造蛋白质，复制DNA等等。
　　在这些机械部件中，最复杂的一种是核孔复合物(NPC)。由1000多种蛋白质组成的NPC是细胞核的一个极具辨别能力的看门人，细胞核是细胞内的膜结合区域，保存着该细胞的遗传物质。任何进出细胞核的东西都必须经过NPC。
　　NPC扮演着细胞核守门人的角色，这意味着它对细胞的运作至关重要。在细胞核内，DNA，细胞的永久遗传密码，被复制成RNA。然后，这些RNA被带出细胞核，用来制造细胞所需的蛋白质。NPC确保细胞核获得合成RNA所需的材料，同时保护DNA不受细胞核外恶劣环境的影响，并使RNA在合成后离开细胞核。
　　加州理工学院化学和生物化学教授、霍华德休斯医学研究所教员学者André Hoelz说：＂这有点像一个可以修理747飞机的机库，舱门打开让747飞机进来，但是当舱门打开的时候，有一个人站在那里。＂二十多年来，Hoelz一直在研究和破译NPC的结构与其功能之间的关系。多年来，他一直在稳步地揭开它的秘密，一点一点地揭开它们。
　　这项研究的潜在意义是巨大的。NPC不仅是细胞运作的中心，它还参与许多疾病。NPC的突变与某些不可治愈的癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病(如肌萎缩性侧索硬化症和急性坏死性脑病)以及心脏疾病(包括房颤和早期心脏性猝死)有关。此外，许多病毒，包括负责COVID-19的病毒，在其生命周期中目标和关闭NPC。
　　现在，在发表在《Science》杂志上的两篇论文中，Hoelz和他的研究团队描述了两个重要的突破:确定了NPC外部表面的结构，以及阐明了特殊蛋白质像分子胶水一样将NPC粘在一起的机制。
　　一个非常小的3D拼图
　　在他们题为＂核孔细胞质面结构＂的论文中，Hoelz和他的研究团队描述了他们如何绘制出从细胞核向外进入细胞质的NPC侧面的结构。为了做到这一点，他们必须解决相当于一个非常小的三维拼图，使用成像技术，如电子显微镜和X射线晶体学。
　　Stefan Petrovic是一名生物化学和分子生物物理学的研究生，也是这篇论文的共同第一作者之一，他说这个过程是从大肠杆菌(一种在实验室中常用的细菌)开始的，这种细菌通过基因工程制造出构成人类NPC的蛋白质。
　　Petrovic说：＂如果你走进实验室，你会看到这面墙的烧瓶中培养着各种细胞。我们在大肠杆菌细胞中表达每一种蛋白质，把这些细胞敲开，然后用化学方法提纯每一种蛋白质成分。＂
　　一次实验需要1500升的细菌培养才能获得足够的材料。一旦提纯完成，研究团队就开始煞费苦心地测试这些NPC碎片是如何组装起来的。
　　化学领域的高级博士后研究员、该论文的另一位共同第一作者George Mobbs表示，这种聚合是以＂循序渐进＂的方式发生的；研究人员并没有把所有的蛋白质同时倒入试管中，而是测试一对对蛋白质，看看哪一对能像拼图一样拼在一起。如果发现一对组合在一起，研究人员就会将两个组合的蛋白质与第三个蛋白质进行测试，直到他们找到一个与这对组合匹配的蛋白质，然后将得到的三段结构与其他蛋白质进行测试，以此类推。他们通过这种方式处理蛋白质，最终产生了他们论文的最终结果：一个包含16个蛋白质的楔子，重复8次，就像披萨片一样，形成了NPC的脸。
　　＂我们报告了人类NPC整个细胞质面部的第一个完整结构，并进行了严格的验证，而不是报告一系列基于部分、不完整或低分辨率观察的片段或部分的渐进进展，＂化学博士后研究员、该论文的共同第一作者Si Nie说：＂我们决定耐心等待，直到我们获得了所有必要的数据，报告了大量的新信息。＂
　　他们的工作补充了德国法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的Martin Beck的研究，他的团队使用冷冻电子断层扫描生成了一张地图，提供了一个谜题的轮廓，研究人员必须把碎片放在其中。为了加速人类NPC结构谜题的完成，Hoelz和Beck在两年前交换了数据，然后独立地构建了整个NPC的结构。Hoelz说：＂大幅改进的Beck的地图更清楚地显示了NPC的每一块(我们决定了原子结构)必须放置的位置，类似于一个定义谜题边缘的木制框架。＂
　　实验确定的来自Hoelz组的NPC碎片的结构验证了Beck课题组的建模。Petrovic说：＂我们使用不同的方法将结构独立地放入地图中，但最终的结果完全一致。看到这些我很满意。＂
　　＂我们建立了一个框架，在这个框架上现在可以做很多实验，＂化学高级博士后研究员、第一作者之一Christopher Bley说：＂我们现在已经拥有了这种复合结构，它能够为未来关于NPC功能甚至疾病的实验提供帮助。NPC中有很多与可怕的疾病相关的突变，了解它们在结构中的位置以及它们如何聚集在一起，可以帮助设计下一组实验，试图回答这些突变正在发生的问题。
　　在另一篇题为《核孔中连接支架的结构》的论文中，研究团队描述了它是如何确定被称为NPC连接支架的整个结构的蛋白质的集合，有助于将NPC固定在一起，同时也提供了它需要的灵活性，使其打开和关闭，并调整自己以适应通过的分子。
　　Hoelz将NPC比作用乐高积木搭起来的东西，这些积木不会被锁在一起，而是用橡皮筋绑在一起，让它们固定在原地，同时还能四处移动。＂我把这些无结构的胶块称为‘孔隙的暗物质’。这道精致的意大利面条把所有的东西都放在一起。＂
　　表征连接器支架结构的过程与表征NPC其他部分的过程基本相同。该团队制造并纯化了大量的多种类型的连接蛋白和支架蛋白，使用各种生物化学实验和成像技术来检查个体之间的相互作用，并一块一块地测试它们如何在完整的NPC中组合在一起。
　　为了验证他们的工作，他们在活细胞中编码这些连接蛋白的基因中引入突变。因为他们知道这些突变会如何改变一个特定连接蛋白的化学性质和形状，使其有缺陷，所以他们可以预测当这些有缺陷的蛋白质被引入细胞的NPC结构会发生什么。如果细胞的NPC按照预期的方式在功能和结构上有缺陷，它们就知道连接蛋白的排列是正确的。
　　Petrovic说：＂一个细胞比我们在试管中创造的简单系统要复杂得多，所以有必要验证从体外实验中获得的结果在体内是否成立。＂
　　NPC外部面部的组装也帮助解决了长期以来关于核包膜的谜题，即包围细胞核的双层膜系统。就像细胞核所在的细胞膜一样，核膜也不是完全光滑的。相反，它布满了被称为整合膜蛋白(IMPs)的分子，它们扮演着各种各样的角色，包括充当受体和帮助催化生化反应。
　　尽管在核膜的内外两侧都能发现IMPs，但它们究竟是如何从一边移动到另一边的还不清楚。事实上，由于IMPs被卡在膜内，它们不能像自由浮动的分子那样通过NPC的中央运输通道。
　　当Hoelz的团队了解了NPC连接支架的结构后，他们意识到它可以在外部边缘形成小＂水槽＂，允许IMPs从核包膜的一边滑到另一边，同时始终嵌入膜本身。＂它解释了该领域许多谜一样的事情。我很高兴地看到，正如我们十多年前最初提出的那样，中央传输通道确实有能力为这些IMPs扩张并形成侧向门。＂
　　综上所述，这两篇论文的发现代表着科学家们在理解人类NPC是如何构建的以及它是如何工作的方面取得了飞跃。该团队的发现为更多的研究打开了大门。Hoelz强调：＂确定了它的结构后，我们现在可以专注于研究NPC功能的分子基础，比如mRNA是如何输出的，以及许多NPC相关疾病的潜在原因，以开发新的治疗方法为目标。＂
　　描述这项工作的论文发表在6月10日的《Science》杂志上。
　　来源：Science
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