里程碑 | 背靠背，施一公团队连发2项研究成果：重新构建核孔复合物腔环及胞质环的分子结构细节

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核孔复合物（NPC）介导真核细胞中核与细胞质之间物质的流动。核孔复合物（NPC）是细胞中最大的超分子复合物之一，在酵母中的总质量约为50 MDa，在高等真核生物中的总质量约为110-125 MDa。 核孔复合物（NPC）的蛋白质成分被称为核孔蛋白（Nup）。一个核孔复合物（NPC）大约有34个不同的核孔蛋白，其中大多数在不同的生物体中是保守的，每个核孔蛋白都有多个副本。但是，对于核孔复合物的胞质环（CR）结构，不是很清楚。2020年5月6日，施一公团队（清华大学为第一单位）在Cell Research 在线发表题为”Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex by cryo-electron microscopy single particle analysis“的研究论文，该研究介绍了非洲爪蟾NPC CR的单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）结构，平均分辨率为5.5-7.9–Å，局部分辨率达到4.5Å。改进的分辨率允许在大多数CR组件中标识和放置辅助结构元素。每个CR亚基中的两个Y复合物彼此相互作用，并与侧翼亚基的Y复合物缔合，形成圆形支架。在每个CR亚基中，含有Nup358的区域包裹着两个Y复合物的茎，可能稳定了支架。 Nup205连接两个Y配合物的短臂，并与相邻Y配合物的茎相连。包含Nup214的区域使用延伸的卷曲螺旋连接两个Y络合物的Nup85，并突出到NPC的轴向孔中。这些以前没有特征的结构特征揭示了对NPC组装的了解。另外，2020年5月4日，施一公团队(西湖大学为第一单位)在Cell Research 在线发表题为”Molecular architecture of the luminal ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex“的研究论文，该研究报告了非洲爪蟾卵母细胞的NPC的腔环（LR）的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结构。LR的观察到的关键结构特征可通过单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）分析独立确认。该研究揭示了LR以前未知的特征，并可能解释了NPC的弹性（点击阅读）。

核孔复合物（NPC）是真核细胞在细胞质和细胞核之间双向货物运输的唯一途径。 核孔复合物（NPC）在高等真核生物中大约为110-125 MDa的分子质量，详细的结构信息是对NPC进行机械理解的先决条件功能。为了实现这一目标，阐明NPC的三维结构的探索始于25年前。X射线晶体学已成功应用于NPC的各个成分和亚复合物，从而形成了30多个晶体胞质环（CR）及其相关的胞质细丝（CF）中的结构域和亚复合物。

NPC胞质环（CR）亚基的冷冻EM结构（图源自Cell Research ）

然而，对于完整的NPC，唯一可行的结构研究方法是电子显微镜（EM），该方法可以重建是1993年使用随机规范倾斜方法进行的低分辨率成像，近年来使用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）进行了约10次中等分辨率的重建。特别是在人类，非洲爪蟾，酿酒酵母等揭示了NPC的一般结构特征。 cryo-ET重建允许对接现在的X射线结构。

NPC具有圆柱形外观，位于内核膜和外核膜之间的融合点。从细胞质侧沿着圆柱轴，NPC由胞质细丝（CF），胞质环（CR），内环（IR），核环（NR）和核篮（NB）组成。在核包膜（NE）的内腔中，有一个称为腔环（LR）的圆形支架。

Nup214复合体连接外部和内部Y复合体（图源自Cell Research ）

NPC显示大约八倍的对称性。 NPC的异常大尺寸及其构象可塑性，对于以更高的分辨率，尤其是cryo-ET进行结构确定提出了挑战。迄今为止，通过cryo-ET的人类NPC的CR亚基的局部分辨率已达到15Å。在此分辨率下，蛋白质成分仅在结构域水平和X射线结构可以牢固地停靠在重建结构中以生成复合坐标。在这项研究中，研究人员通过单粒子分析（SPA）报告了非洲爪蟾NPC的CR的冷冻-EM结构。该重建结果显示平均分辨率为5.5–7.9Å，这显示了单个α螺旋的管状密度，并且允许放置CR的大多数组件的辅助结构元素。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41422-020-0319-4

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