“分子巨人”的复杂结构比以往任何时候都更详细地了解
分子巨人和它缺失的螺丝钉
人的核孔复合体(NPC)是一个真正的分子巨人，它位于分离细胞核和细胞质的膜上。它是甜甜圈状的，对于在细胞质和细胞核之间移动的分子来说，它既是通道，也是检查点。因此，NPC促进了细胞中的基本过程，如基因表达和翻译。核运输系统也在一些疾病中发挥作用，包括神经退行性疾病、癌症和病毒感染。
NPC的结构是什么?它的蛋白质是如何粘在一起的?它是如何附着在核膜上的?这些和其他的问题现在已经被回答了辛斯集团在EMBL汉堡和结构系统生物学中心,贝克而且悍马马克斯·普朗克生物物理研究所的实验室，以及合作者。他们将蛋白质结构预测程序AlphaFold2与冷冻电子断层扫描、单粒子冷冻电镜和综合建模等技术相结合，创建了迄今为止最完整的人类NPC模型。
对于结构生物学家来说，人类NPC是一个具有挑战性但令人兴奋的3D难题，每个NPC都有大约30种不同的蛋白质，每个蛋白质都有多个副本。这相当于大约1000个拼图块，它们形成一个圆形的核心，周围有灵活的部分。到目前为止，最精确的人类NPC核心模型只覆盖了46%的结构。但现在，在该领域20年研究的基础上，科学家们创造了一种新的NPC结构模型，覆盖了其90%以上的核心。
虽然先前提出的NPC模型存在空白，并且只包含一些蛋白质片段，但新模型消除了大部分这种不确定性。
“这就像你拆卸和重新组装一个电子设备。总会有一些螺丝留下，你只是不知道它们应该在哪里，”EMBL小组负责人扬·科辛斯基说，他是此次调查的联合负责人。“我们最终成功地适应了大部分机器人，现在，我们确切地知道它们在哪里，它们在做什么，以及如何做。”
实验和人工智能一起工作
科学家们是如何做到这一点的?关键是将几种实验和计算方法结合起来。这使得科学家能够在不同的尺度和细节水平上可视化NPC。
例如，为了模拟NPC的整体轮廓，研究人员使用了冷冻电子断层扫描技术。通过这种技术，他们能够在细胞环境中观察NPC，而不是孤立地观察。更多的细节的单个蛋白质组成模块被揭示AlphaFold2这是一个基于人工智能的程序，可以预测蛋白质结构DeepMind．
“AlphaFold2对我们来说是一个突破性的时刻，”进行分子建模的博士后Agnieszka obarska - kosizynska说。“以前，我们不知道NPC中许多蛋白质的结构。当你不知道拼图的各个部分是什么样子的时候，你是不可能拼出拼图的。但AlphaFold2结合其他方法使我们能够预测这些形状。”
为了进一步完善图像，研究人员使用了ColabFold，这是一个由科学界修改的AlphaFold2版本，用于模拟蛋白质之间的相互作用。这让他们能够看到不同的谜题碎片如何组合成更小的亚复合体，以及这些亚复合体如何粘在一起形成NPC。
最后，他们用软件把所有的碎片拼在一起Assembline以前由辛斯集团，并与实验数据进行了验证。
由此产生的模型是如此完整和详细，它使研究人员能够创建时间分辨的分子模拟，解释NPC蛋白和核膜如何相互作用以创建稳定的孔，以及它如何对机械线索做出反应。
未来的发展方向
这项工作是NPC研究的一大飞跃，但仍有许多需要探索的地方。
“这项工作证明了，在未来，结构生物学将如何拥抱细胞生物学，创建更大的分子组装的原子模型，在细胞的不同部分执行不同的功能，”马丁贝克说。Gerhard Hummer表示同意:“我们现在可以考虑建立一个完整的NPC动态模型，并在原子的细节上模拟核输运。”
Kosinski小组未来的工作目标是利用AlphaFold2和他们自己的软件开发自动集成结构和显微镜数据的方法Assembline．他们计划将这些方法应用于研究驱动病毒感染的分子过程。
在细胞环境中研究NPC也符合新的EMBL计划的目标。”分子与生态系统，旨在探索生活的背景。
参考:王晓燕，王晓燕，王晓燕，等。基于人工智能的结构预测能够对人体核孔进行综合结构分析。科学．2022, 376 (6598): eabm9506。doi:10.1126 / science.abm9506
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