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人类核孔复合体(NPC)的模型,描绘了构成孔的三环的主要蛋白质。从上到下:胞质环呈蓝色和黄色;内环是橙色和粉红色的;核质环是浅蓝色和金色的。信贷安东尼舒乐问
人类核孔复合体(NPC)的模型,描绘了构成孔的三环的主要蛋白质。从上到下:胞质环呈蓝色和黄色;内环是橙色和粉红色的;核质环是浅蓝色和金色的。信贷安东尼舒乐问

文摘:
环境很重要。生命的许多方面都是如此,包括在我们细胞内执行重要功能的微小分子机器。

细胞环境塑造分子结构:研究人员通过直接研究细胞内部的核孔复合物,收集到一幅更完整的结构图

发布于2021年10月15日

科学家经常净化细胞成分,如蛋白质或细胞器,以便单独检查它们。然而,10月13日发表在《自然》(Nature)杂志上的一项新研究表明,这种做法可以彻底改变有问题的成分。研究人员设计了一种方法来研究细胞内部一个叫做核孔复合体(NPC)的巨大的甜甜圈形状的结构。他们的结果显示,孔的尺寸比之前认为的要大,这强调了在自然环境中分析复杂分子的重要性。

该研究的共同作者、Boris Magasanik生物学教授托马斯·施瓦茨(Thomas Schwartz)说:“我们已经证明,细胞环境对像NPC这样的大型结构有重大影响,这是我们刚开始时没有预料到的。”科学家们通常认为大分子足够稳定,可以在细胞内外保持它们的基本属性,但我们的发现颠覆了这种假设。�

在人类和动物等真核生物中,大多数细胞的DNA储存在一个叫做细胞核的圆形结构中。细胞器被核膜保护着,核膜是一种保护屏障,将细胞核中的遗传物质与充满细胞其余部分的浓稠液体隔开。但是分子仍然需要一种进出细胞核的方式来促进包括基因表达在内的重要过程。这就是NPC的作用所在。数百甚至数千个这样的孔嵌在核膜中,创造出允许某些分子通过的通道。

该研究的第一作者、前博士后安东尼·舒勒(Anthony Schuller)将npc比作体育场的大门。�他解释说,如果你想进入游戏内部,你必须出示门票,然后通过其中一个大门。

以人类的标准来看,NPC可能很小,但它却是细胞中最大的结构之一。它由大约500个蛋白质组成,这使得它的结构难以解析。传统上,科学家们用x射线晶体学的方法将其分解成单个成分进行零碎的研究。根据Schwartz的说法,在更自然的环境中分析NPC的技术直到最近才出现。

舒勒和施瓦茨与苏黎世大学的研究人员一起,采用了两种尖端方法来解决孔隙结构:低温聚焦离子束(cryo-FIB)铣削和低温电子断层扫描(cryo-ET)。

整个细胞太厚,在电子显微镜下看不见。但研究人员使用麻省理工学院的冷冻fib设备将冷冻的结肠细胞切成薄层。科赫研究所彼得森(1957)纳米材料核心设施。在此过程中,团队捕捉了包含npc的细胞横截面,而不是简单地孤立地观察npc。

施瓦茨说:“这种方法的神奇之处在于,我们几乎没有对细胞进行任何操作。”我们没有扰乱细胞的内部结构。这是革命�。

研究人员在显微镜下看到的图像与现有的NPC描述非常不同。他们惊讶地发现,形成孔隙中心通道的最内环结构比之前认为的要宽得多。当它留在自然环境中,孔隙开口高达57纳米,体积比之前估计的增加了75%。该团队还能够进一步了解NPC的各种组件如何一起工作,以定义孔隙的维度和整体架构。

�我们已经证明了细胞环境对NPC结构的影响,但现在我们必须弄清楚如何以及为什么,舒勒说。他补充说,并不是所有的蛋白质都能被纯化,所以低温et和低温fib的结合也将有助于检查各种其他细胞成分。�这种双重方式可以解锁一切

这篇论文很好地说明了技术进步是如何为细胞结构提供了一幅新的图像的,在这个例子中,低温聚焦离子束碾磨人体细胞的低温电子断层扫描(cryo-electron tomography)为我们提供了一幅新的细胞结构图,没有参与这项研究的德国亚森工业大学(RWTH Aachen University)生物化学教授沃尔夫拉姆·安东宁(Wolfram Antonin)说。事实上,NPC中央输送通道的直径比之前认为的要大,这暗示了孔隙可能具有令人印象深刻的结构灵活性。安东宁解释说,这对细胞适应不断增长的运输需求可能很重要。

接下来,舒勒和施瓦茨希望了解小孔的大小如何影响哪些分子可以通过。例如,科学家们最近才确定这个孔足够大,可以让像HIV这样的完整病毒进入细胞核。同样的原则也适用于医学治疗:只有具有特定性质的适当大小的药物才能获得细胞的DNA。

Schwartz特别想知道是否所有npc都是平等的,或者它们的结构是否因物种或细胞类型而不同。

�他说:“我们一直都在操纵细胞,把单个成分从它们原本的环境中提取出来。”�现在我们知道这种方法可能会产生比我们想象的更大的后果

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联系人:
罗利McElvery
麻省理工学院生物学系

版权所有©麻省理工学院

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