摘要：核膜孔隙中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻止了危險(xiǎn)的入侵者。
細(xì)胞核中的微小孔隙通過(guò)保護(hù)和保存遺傳物質(zhì)，對(duì)健康衰老起著至關(guān)重要的作用。來(lái)自馬克斯普朗克生物物理研究所理論生物物理系和美因茨大學(xué)蛋白質(zhì)紊亂合成生物物理學(xué)小組的一個(gè)研究小組，已經(jīng)填補(bǔ)了對(duì)這些核孔的結(jié)構(gòu)和功能的理解上的一個(gè)空白?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，毛孔中心的內(nèi)在無(wú)序蛋白質(zhì)是如何形成意大利面狀的移動(dòng)屏障的，這種屏障對(duì)重要的細(xì)胞因子是可滲透的，但卻阻擋了病毒或其他病原體。
圖1 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)毛孔中心的內(nèi)在無(wú)序蛋白質(zhì)是如何形成移動(dòng)屏障
人類細(xì)胞通過(guò)核膜將遺傳物質(zhì)保護(hù)在細(xì)胞核內(nèi)。作為細(xì)胞的控制中心，細(xì)胞核必須能夠與細(xì)胞的其他部分交換重要的信使分子、代謝物或蛋白質(zhì)。因此，核膜上大約有2000個(gè)孔，每個(gè)孔由大約1000種蛋白質(zhì)組成。
幾十年來(lái)，研究人員一直著迷于這些核孔的三維結(jié)構(gòu)和功能，它們充當(dāng)基因組的守護(hù)者:控制細(xì)胞所需的物質(zhì)被允許通過(guò)，而病原體或其他DNA損傷物質(zhì)則被阻止進(jìn)入。因此，核孔可以被認(rèn)為是分子屏障，每個(gè)孔每秒檢查數(shù)千個(gè)訪客。只有那些有門(mén)票的人才可以通過(guò)。
核孔是如何完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)的?附著在孔支架上的大約300個(gè)蛋白質(zhì)像觸角一樣深入到中心開(kāi)口。直到現(xiàn)在，研究人員還不知道這些觸須是如何排列的，以及它們是如何擊退入侵者的。這是因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)本質(zhì)上是無(wú)序的，缺乏明確的三維結(jié)構(gòu)。它們?nèi)犴g且不斷移動(dòng)——就像沸水里的意大利面一樣。
結(jié)合顯微鏡和計(jì)算機(jī)模擬
由于這些內(nèi)在無(wú)序蛋白(IDPs)的結(jié)構(gòu)不斷改變，科學(xué)家很難破譯它們的三維結(jié)構(gòu)和功能。研究人員用于蛋白質(zhì)成像的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)僅適用于定義的3D結(jié)構(gòu)。到目前為止，核孔的中心區(qū)域一直被表示為一個(gè)孔，因?yàn)椴豢赡艽_定開(kāi)口中IDPs的組織。
由馬克斯普朗克生物物理研究所所長(zhǎng)Gerhard Hummer和美因茨大學(xué)合成生物物理學(xué)教授Edward Lemke領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在使用合成生物學(xué)、多維熒光顯微鏡和基于計(jì)算機(jī)的模擬的新組合來(lái)研究活細(xì)胞中的核孔IDPs。
Lemke解釋說(shuō):“我們使用現(xiàn)代精密工具用熒光染料標(biāo)記了蛋白質(zhì)的幾個(gè)點(diǎn)，我們用光激發(fā)熒光染料，并在顯微鏡下觀察。”“根據(jù)發(fā)光模式和持續(xù)時(shí)間，我們能夠推斷出蛋白質(zhì)必須如何排列?！盚ummer補(bǔ)充說(shuō):“然后，我們使用分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)計(jì)算IDPs在孔隙中的空間組織方式，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡约八鼈內(nèi)绾我苿?dòng)。這是我們第一次看到通往人類細(xì)胞控制中心的大門(mén)?！?/div>
圖2 NUP98在NPC內(nèi)功能狀態(tài)下的位點(diǎn)特異性標(biāo)記以及與體外相分離縮合物的比較
圖2 NUP98在NPC內(nèi)功能狀態(tài)下的位點(diǎn)特異性標(biāo)記以及與體外相分離縮合物的比較
動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)輸屏障
與我們之前所知道的相比，運(yùn)輸孔中的觸角表現(xiàn)出完全不同的行為，因?yàn)樗鼈兿嗷プ饔茫才c貨物相互作用。它們就像前面提到的在沸水里的意大利面一樣永久地移動(dòng)。所以，在毛孔的中心沒(méi)有孔，而是一層扭曲的，像意大利面一樣的分子。病毒或細(xì)菌太大，無(wú)法通過(guò)這個(gè)篩子。然而，細(xì)胞核中需要的其他大細(xì)胞分子可以通過(guò)，因?yàn)樗鼈償y帶著非常特殊的信號(hào)。這些分子有一張入場(chǎng)券，而病原體通常沒(méi)有。“通過(guò)解開(kāi)孔隙填充，我們進(jìn)入了核傳輸研究的一個(gè)新階段，”馬克斯普朗克生物物理研究所的合作者和同事馬丁貝克補(bǔ)充道。
“了解孔隙如何運(yùn)輸或阻塞貨物將有助于我們識(shí)別錯(cuò)誤。畢竟，盡管有屏障，一些病毒還是設(shè)法進(jìn)入了細(xì)胞核?！薄巴ㄟ^(guò)我們的方法組合，我們現(xiàn)在可以更詳細(xì)地研究IDPs，以找出為什么它們對(duì)于某些細(xì)胞功能是不可或缺的，盡管容易出錯(cuò)。事實(shí)上，幾乎在所有物種中都發(fā)現(xiàn)了IDPs，盡管它們?cè)谒ダ线^(guò)程中有形成聚集體的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥，”Lemke說(shuō)。通過(guò)了解IDPs的功能，研究人員旨在開(kāi)發(fā)新的藥物或疫苗，以預(yù)防病毒感染并幫助健康老齡化。
參考資料：
[1] Miao Yu, Maziar Heidari, Sofya Mikhaleva, Piau Siong Tan, Sara Mingu, Hao Ruan, Christopher D. Reinkemeier, Agnieszka Obarska-Kosinska, Marc Siggel, Martin Beck, Gerhard Hummer, Edward A. Lemke. Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ. Nature, 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-05990-0
摘要：核膜孔隙中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)阻止了危險(xiǎn)的入侵者。
細(xì)胞核中的微小孔隙通過(guò)保護(hù)和保存遺傳物質(zhì)，對(duì)健康衰老起著至關(guān)重要的作用。來(lái)自馬克斯普朗克生物物理研究所理論生物物理系和美因茨大學(xué)蛋白質(zhì)紊亂合成生物物理學(xué)小組的一個(gè)研究小組，已經(jīng)填補(bǔ)了對(duì)這些核孔的結(jié)構(gòu)和功能的理解上的一個(gè)空白?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，毛孔中心的內(nèi)在無(wú)序蛋白質(zhì)是如何形成意大利面狀的移動(dòng)屏障的，這種屏障對(duì)重要的細(xì)胞因子是可滲透的，但卻阻擋了病毒或其他病原體。
圖1 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)毛孔中心的內(nèi)在無(wú)序蛋白質(zhì)是如何形成移動(dòng)屏障
人類細(xì)胞通過(guò)核膜將遺傳物質(zhì)保護(hù)在細(xì)胞核內(nèi)。作為細(xì)胞的控制中心，細(xì)胞核必須能夠與細(xì)胞的其他部分交換重要的信使分子、代謝物或蛋白質(zhì)。因此，核膜上大約有2000個(gè)孔，每個(gè)孔由大約1000種蛋白質(zhì)組成。
幾十年來(lái)，研究人員一直著迷于這些核孔的三維結(jié)構(gòu)和功能，它們充當(dāng)基因組的守護(hù)者:控制細(xì)胞所需的物質(zhì)被允許通過(guò)，而病原體或其他DNA損傷物質(zhì)則被阻止進(jìn)入。因此，核孔可以被認(rèn)為是分子屏障，每個(gè)孔每秒檢查數(shù)千個(gè)訪客。只有那些有門(mén)票的人才可以通過(guò)。
核孔是如何完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)的?附著在孔支架上的大約300個(gè)蛋白質(zhì)像觸角一樣深入到中心開(kāi)口。直到現(xiàn)在，研究人員還不知道這些觸須是如何排列的，以及它們是如何擊退入侵者的。這是因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)本質(zhì)上是無(wú)序的，缺乏明確的三維結(jié)構(gòu)。它們?nèi)犴g且不斷移動(dòng)——就像沸水里的意大利面一樣。
結(jié)合顯微鏡和計(jì)算機(jī)模擬
由于這些內(nèi)在無(wú)序蛋白(IDPs)的結(jié)構(gòu)不斷改變，科學(xué)家很難破譯它們的三維結(jié)構(gòu)和功能。研究人員用于蛋白質(zhì)成像的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)僅適用于定義的3D結(jié)構(gòu)。到目前為止，核孔的中心區(qū)域一直被表示為一個(gè)孔，因?yàn)椴豢赡艽_定開(kāi)口中IDPs的組織。
由馬克斯普朗克生物物理研究所所長(zhǎng)Gerhard Hummer和美因茨大學(xué)合成生物物理學(xué)教授Edward Lemke領(lǐng)導(dǎo)的研究小組現(xiàn)在使用合成生物學(xué)、多維熒光顯微鏡和基于計(jì)算機(jī)的模擬的新組合來(lái)研究活細(xì)胞中的核孔IDPs。
Lemke解釋說(shuō):“我們使用現(xiàn)代精密工具用熒光染料標(biāo)記了蛋白質(zhì)的幾個(gè)點(diǎn)，我們用光激發(fā)熒光染料，并在顯微鏡下觀察?！薄案鶕?jù)發(fā)光模式和持續(xù)時(shí)間，我們能夠推斷出蛋白質(zhì)必須如何排列。”Hummer補(bǔ)充說(shuō):“然后，我們使用分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)計(jì)算IDPs在孔隙中的空間組織方式，它們?nèi)绾蜗嗷プ饔靡约八鼈內(nèi)绾我苿?dòng)。這是我們第一次看到通往人類細(xì)胞控制中心的大門(mén)。”
圖2 NUP98在NPC內(nèi)功能狀態(tài)下的位點(diǎn)特異性標(biāo)記以及與體外相分離縮合物的比較
動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)輸屏障
與我們之前所知道的相比，運(yùn)輸孔中的觸角表現(xiàn)出完全不同的行為，因?yàn)樗鼈兿嗷プ饔?，也與貨物相互作用。它們就像前面提到的在沸水里的意大利面一樣永久地移動(dòng)。所以，在毛孔的中心沒(méi)有孔，而是一層扭曲的，像意大利面一樣的分子。病毒或細(xì)菌太大，無(wú)法通過(guò)這個(gè)篩子。然而，細(xì)胞核中需要的其他大細(xì)胞分子可以通過(guò)，因?yàn)樗鼈償y帶著非常特殊的信號(hào)。這些分子有一張入場(chǎng)券，而病原體通常沒(méi)有?！巴ㄟ^(guò)解開(kāi)孔隙填充，我們進(jìn)入了核傳輸研究的一個(gè)新階段，”馬克斯普朗克生物物理研究所的合作者和同事馬丁貝克補(bǔ)充道。
“了解孔隙如何運(yùn)輸或阻塞貨物將有助于我們識(shí)別錯(cuò)誤。畢竟，盡管有屏障，一些病毒還是設(shè)法進(jìn)入了細(xì)胞核?！薄巴ㄟ^(guò)我們的方法組合，我們現(xiàn)在可以更詳細(xì)地研究IDPs，以找出為什么它們對(duì)于某些細(xì)胞功能是不可或缺的，盡管容易出錯(cuò)。事實(shí)上，幾乎在所有物種中都發(fā)現(xiàn)了IDPs，盡管它們?cè)谒ダ线^(guò)程中有形成聚集體的風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥，”Lemke說(shuō)。通過(guò)了解IDPs的功能，研究人員旨在開(kāi)發(fā)新的藥物或疫苗，以預(yù)防病毒感染并幫助健康老齡化。
參考資料：
[1] Miao Yu, Maziar Heidari, Sofya Mikhaleva, Piau Siong Tan, Sara Mingu, Hao Ruan, Christopher D. Reinkemeier, Agnieszka Obarska-Kosinska, Marc Siggel, Martin Beck, Gerhard Hummer, Edward A. Lemke. Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ. Nature, 2023; DOI: 10.1038/s41586-023-05990-0
