Nature子刊：“设计孔”揭示进出细胞核的选择性交通

细胞核是细胞的总部，分子不断地通过小孔穿过核膜。这些分子的转运具有选择性和快速性;每秒钟大约有1000个分子可以进出。来自荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)和代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的科学家们利用简单的设计规则开发出了这些孔隙的人工模型，使他们能够研究这一壮举是如何实现的。

　　

 

   

图片:这是亨利·德·弗里斯，《自然通讯》这篇论文的联合第一作者。他为本文准备并执行了大部分的模拟。

资料来源:格罗宁根大学

细胞核是细胞的总部，分子不断地通过小孔穿过核膜。这些分子的转运具有选择性和快速性;每秒钟大约有1000个分子可以进出。来自荷兰格罗宁根大学(University of Groningen)和代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的科学家，以及来自瑞典查尔默斯理工大学(Chalmers University of Technology)的一位同事，利用简单的设计规则，开发出了这些孔隙的人工模型，使他们能够研究这一成就是如何实现的。他们的研究结果发表在3月31日的《自然通讯》杂志上。

核孔是极其复杂的结构。孔本身是一个巨大的蛋白质复合物，孔的开口充满了一种被称为核孔蛋白的无序蛋白质密集网络。这些蛋白质调节选择性运输，但它们是如何做到这一点的还不清楚。格罗宁根大学(University of Groningen)微观力学教授帕特里克·昂克(Patrick Onck)解释说:“核孔复合体是细胞中最大的蛋白质结构之一。”“我们之前研究了孔隙的所有复杂性，但在这项研究中，我们创造了一个极大简化的‘设计’孔隙，以研究运输的基本物理机制。”

纳米孔

首先，研究小组分析了核孔蛋白的组成，设计出一种简化的“平均”版本，他们将其命名为核孔蛋白X，简称NupX。这些蛋白质由苯基丙氨酸(F)和甘氨酸(G)组成的结构域串联而成，它们在运输中起着重要的作用。这些FG重复序列由其他氨基酸的“间隔”隔开。除了FG重复序列外，有些核孔蛋白还含有甘氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸和甘氨酸等结构域或GLFG重复序列。研究小组设计了包含这两个结构域的蛋白质，这些结构域由10种氨基酸的间隔物隔开。

NupX在两种不同的系统中进行了测试:通过实验研究，它附着在表面，并添加到氮化硅“膜”中“钻取”的人工纳米孔中，以及通过分子动力学模拟。实验在代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)进行，而模拟主要由昂克实验室的博士生亨利·德·弗里斯(Henry de Vries)在格罗宁根(Groningen)准备和执行。

核孔蛋白与非特异性蛋白和伴侣蛋白的相互作用进行了测试，伴侣蛋白是作为孔道运输票的蛋白质。在细胞中，必须被运送进或出细胞核的大分子只有附着在这样的伴侣上才能做到这一点。人工核孔蛋白与伴侣蛋白有选择性地相互作用，而与非特异性蛋白没有相互作用。这表明NupX气孔功能齐全:它们能够促进选择性运输。德弗里斯:“然而，实验表明，运输是通过人工孔隙进行的，而不是在孔隙内部发生的。”通过我们的模拟，我们展示了在伴侣蛋白转移时孔道内究竟发生了什么，而非特异性蛋白与孔道根本没有相互作用。”

模拟还揭示了FG和GLFG核孔蛋白在孔内的分布情况。“最近的研究表明，它们可能在核孔的不同位置，这可能有助于创造选择性，”德弗里斯说。“然而，我们发现它们是均匀分布的，但我们仍然看到了选择性。“另一种说法是，构成间隔的氨基酸对选择性很重要。“我们的研究结果表明，由于我们使用的是随机序列，间隔区的特定氨基酸序列并不重要。”唯一重要的部分是隔板内带电氨基酸和疏水氨基酸的比例，这决定了蛋白质的粘性。”

这项研究的最终结论是，在核孔素中一个非常简单的系统，其变异有限，仍然产生一个选择性孔。Onck说:“我们需要的是这些FG核孔蛋白的一定密度。”“它们构成了一道屏障，只有监护人才能突破。“这回避了一个问题:为什么自然界中的孔中含有大量不同的核孔素?”Onck:“我们知道，大自然并不总是会想出最优的解决方案。然而，它们的冗余很可能在自然毛孔中发挥作用。”

这个非常简单的人工系统已经复制出选择性传输机制，这一事实意味着科学家们现在有了一个很好的工具来研究调节核孔功能的物理原理。Onck:“这可能会带来新的基本见解，也会带来新的应用，例如创建过滤系统，或人工细胞的设计。”