施一公团队Cell Research首次揭示核孔复合物核质环的冷冻电镜结构

该研究阐释了NR的基本构成，搭建了目前为止最精确的NPC支架结构模型。

　　

真核生物的细胞核由双层的核膜包裹，核孔复合物（nuclear pore complex, NPC）是核膜上负责物质运输的唯一通道，在调控基因表达方面起着重要作用，其功能异常将导致包括癌症在内的多种疾病的发生。

NPC是真核细胞中最庞大，最复杂的分子机器之一，其高分辨率结构的解析一直被视为结构生物学界的“圣杯”之一。近日，西湖大学施一公团队在Cell Research上在线发表了题为“Cryo-EM structure of the nuclear ring fromXenopus laevis?nuclear pore complex”的最新研究成果，报道了目前分辨率最高的、NPC中核质环（nuclear ring, NR）亚基的单颗粒冷冻电镜结构。该研究阐释了NR的基本构成，并结合该课题组之前对NPC中胞质环（cytoplasmic ring, CR）和内环（inner ring, IR）的结构研究，搭建了目前为止最精确的NPC支架结构模型。这对理解细胞生命活动的基本过程，以及相关疾病的致病机理都具有重要意义，也是开发相应治疗方法和药物的基础。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41422-021-00610-w

NPC镶嵌于双层核膜（nuclear envelope, NE）上，在从细胞质到细胞核的方向上，主要由胞质丝（cytoplasmicfilaments）、胞质环（cytoplasmic ring, CR），内环（inner ring, IR）、核质环（nuclear ring, NR）和核篮（nuclear basket）组成。其中，CR、IR和NR构成NPC最稳定的支架部分，其直径可达约110 nm，高约70 nm。而附着于CR上的胞质丝、附着于NR上的核篮以及主要由IR中的FG重复（FG repeats）构成的扩散屏障（diffusion barrier）则是NPC选择性运输的主要执行者。此外，在垂直于NE的方向上，NPC还具有C8对称性。一个NPC含有约30种不同的核孔蛋白（nucleoporin），每种核孔蛋白的拷贝数一般为八的倍数，因此一个NPC含有的核孔蛋白数目非常大（500-1000个）。这也导致NPC具有非常大的分子量，在酿酒酵母中约为60 MDa，而在人中则可达约110 MDa。

人源NPC的结构示意图 (Lin and Hoelz, Annu.Rev. Biochem., 2019)

该研究以非洲爪蟾（Xenopus laevis）NPC为研究对象，单颗粒冷冻电镜分析为主要研究手段，共收集46143张电镜照片，从中人工筛选出33747张可用照片，然后从可用照片中人工挑出800825个NPC颗粒用于数据处理。经过多轮复杂运算，最终利用813020个颗粒，重构出5.6 ?的NR亚基结构，并以此搭建了模型。这是世界上截至目前NR亚基报道的最高分辨率。

NR亚基的单颗粒冷冻电镜结构

该模型中NR亚基的主体主要由两个Y复合物组成，每个Y复合物包含十个不同的核孔蛋白，其中，在NPC重组装过程中负责与染色体结合的ELYS和Y复合物长臂中的Nup160和Nup37密切接触。此外，NR亚基中还包含有起到关键连接作用的Nup205和Nup93，与CR和IR不同的是，这两个分子在NR中的拷贝数均为一。Nup93和Nup205在同一个NR亚基中连接内、外Y复合物，Nup93还进一步利用其N端的长螺旋与相邻亚基中Nup205的C端结合，二者对维持NR的结构稳定起着重要作用。

最后，结合施一公团队之前解析的CR和IR高分辨结构，该研究还搭建NPC支架结构模型。该模型包含了来自632个核孔蛋白中的约445000个氨基酸残基，是目前为止最详细，且最精确的NPC支架结构模型，为领域内理解脊椎动物NPC的组成、结构、组装以及功能提供了坚实的基础。

NPC支架的结构模型

西湖大学施一公团队博士后黄高兴宇、占谢超、曾超、朱薛辰和博士生梁珂为本文共同第一作者，黄高兴宇和施一公为本文共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室、西湖教育基金会以及中国博士后科学基金会的支持。