新见解核孔的结构和功能复杂的显示

经过近20年的工作,在阿贡的先进光子源,研究人员有一个清晰的“看门人”的细胞核和更好地了解它是如何工作的。

我们身体里的每个细胞的细胞核有很多复杂的部分。其中一个最复杂的称为核孔复杂,或人大。它由超过1000种不同的蛋白质和作为歧视看门人细胞核,细胞包围的区域内,其遗传物质。任何进出细胞核已通过全国人大。

了解全国人大工作可能会卫生保健研究产生重大的影响。不仅是全国人大的中央细胞的操作,它也参与了各种各样的疾病。突变在全国人大负责一些不可治愈的癌症,神经退行性自身免疫性疾病,如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(也被称为卢伽雷氏症,或肌萎缩性侧索硬化症),和心脏病包括心房纤颤和早期心脏性猝死。此外,许多病毒,包括负责COVID-19,目标和关闭全国人大的过程中他们的生命周期。

“我们用尽招数在书中这些结构。没有高端的设施如APS,我们不可能这么做。”— André Hoelz, Caltech

安德烈Hoelz,加州理工学院的化学和生物化学教授、霍华德休斯医学研究所教授学者,和传统医学研究所研究员,花了20多年研究和破译全国人大的结构和功能,广泛利用先进的光子源(APS),美国能源部(DOE)办公室用户设施位于能源部阿尔贡国家实验室。

现在,在一对的论文发表在《科学》”体系结构的胞质面核孔”和“架构的linker-scaffold核孔“Hoelz和他的研究小组公布了他们的工作的结果:一个完整的结构的地图外面对全国人大和更深的理解的机制特殊蛋白质像分子胶水把全国人大粘在一起。这不朽的结果是经过近20年的使用ultrabright x射线照射全国人大的结构,蛋白质的蛋白质。

那个时候,Hoelz和他的同事们使用了一般医学科学和癌症研究院(通用汽车/ CA)结构生物学beamlines APS。Hoelz和他的团队决定他们的第一个结构在2008年通用汽车/ CA和定期出现在了beamlines至今。

“员工在通用/ CA开始意识到我们所做的不仅仅是一个结构,而是主要需要一个长期的承诺,“Hoelz说。“他们接受从一开始进步,帮助与挑战性的样本。我们用尽招数在书中这些结构。没有高端的设施如APS,我们不可能这么做。”

研究人员还利用东北协作访问团队beamline早在他们的研究。他们还使用了斯坦福同步辐射光源,在能源部SLAC国家加速器实验室和国家同步光源II能源部布鲁克海文国家实验室的。

一个小3 d拼图

而全国人大通常可以被认为是类似于一扇门,它是不同于任何你要遇到在你的日常生活。除了与蜘蛛的腿看上去就像一个甜甜圈,全国人大不太多的打开和关闭,扩张和收缩。

“这有点像747年代飞机机库,你可以修复,打开门让747进来,但是有一个人站在那里可以防止一个大理石门是开放的,”Hoelz说。

映射的结构这一复杂的机械、Hoelz和他的同事们必须解决相当于一个小3 d拼图,用电子显微镜和x射线晶体学在每个拼图。他们开始被越来越多的蛋白质占全国人大,然后测试他们对哪些组合在一起。如果发现两个拼图组合在一起,研究人员将测试如今蛋白质对第三个,直到他们找到下一个,等等。

以这种方式工作通过蛋白质最终产生了第一篇论文的最终结果:被重复八次的16-protein楔在全国人大的脸像片披萨。

这个结果补充研究由马丁贝克马克斯普朗克研究所的生物物理学在法兰克福,德国的团队生成的地图,提供了一个谜的轮廓,研究人员把碎片。加快人类人大结构,完成拼图Hoelz和贝克交换数据两年多前,然后整个人大的独立建造的结构。

“大大改善了贝克地图显示更清晰,每一块的全国人大-我们决定原子结构必须被放置,“Hoelz说。“这是类似于一个木制框架,定义了边缘的一个谜。”

该团队使用类似的过程来确定整个结构被称为全国人大linker-scaffold什么。这是一组蛋白质帮助团结全国人大,同时还为它提供的灵活性,需要打开和关闭,并调整以适合的分子通过。

Hoelz把全国人大比作什么建立起来的乐高积木,但那些并不总是锁在一起。相反,他们被橡皮筋捆在了一起,让他们主要在地方,同时仍然允许他们移动。

“我叫这些非结构化的胶块暗物质的毛孔,’”Hoelz说。“这优雅的意大利面条面条拥有一切在一起。”

x射线光的方式

APS, Hoelz和他的团队使用了一种叫做x射线晶体学来确定这些结构。技术包括生长晶体的蛋白质,然后明亮的x射线照射这些晶体。当光期刊或分散在不同的方向,一个检测器记录光的位置和强度,从那数据科学家可以收集重要信息的原子组成的蛋白质。

Hoelz开始在2008年通用汽车/ CA,结合阿贡的体能训练时鲍勃Fischetti这样组长和生命科学顾问APS导演。beamline让Hoelz的工作的一个特征可能是能够改变x射线束的大小,令人难以置信的小点。这使得Hoelz使用较小的晶体,或晶体没有衍射以及其他人,他说。

“如果你有一个很大的水晶,期刊,最好是照亮整个水晶,“Fischetti说。”,但如果你有一个小的,或者更大的衍射不好,您可以使用一个较小的梁发现晶体的部分会给你你所需要的数据。”

Fischetti和他的同事们赢得了100年研发奖2010年为设计一个系统,允许科学家选择x射线束的大小。他叫Hoelz的工作“非凡的”,注意的是,由于他的坚持,我们现在有一个明确的最大的结构在人类细胞。

“我们的工作在通用/ CA是不可能没有人每天这样做,“Hoelz说。“他们试图帮助您在任何可能的方式,这是一个很重要的事情。工作的人有训练有素的科学家,他们的无名英雄,所有的研究都是。”

建设大跃进

综上所述,两篇论文的结果代表了飞跃在科学家们对如何构建全国人大的理解,以及它是如何运作的。加州理工学院的克里斯托弗•Bley高级化学博士后学者研究助理和这两篇论文的作者,说团队的发现开门进行更多的研究。

“我们建立了一个框架,很多实验,就可以完成“Bley说。“我们现在有这种复合结构,它使和告知未来人大实验功能,甚至疾病。有很多全国人大与可怕的疾病相关变异。知道它们的结构以及它们如何一起可以帮助设计下一组实验,试图回答问题这些突变在做什么。”

Hoelz也认为这是一个证明的价值实证研究在结构生物学。虽然预测可以是有用的,他说,是不可替代的工作和决定结构。

“没有歧义结构实验确定时,”他说。“这是硬数据。肯定是必然的。”

这两篇论文发表在2022年6月10日的科学杂志上。除了Hoelz和Bley,作者包括加州理工学院的斯蒂芬·佩特,如果聂,乔治·w·莫伯斯,小雨,安娜·t·格蕾丝Dipanjan Samanta, Thibaud Perriches,卡斯滕Thierbach,邦妮布朗,泰勒·a·史蒂文斯Sho哈维费迪南德·m·胡贝尔丹尼尔·h·林,亚伦·w·唐,艾米丽·j·小桶,安娜·r·科雷亚和艾琳娜Patke;Somnath穆克吉和芝加哥大学的安东尼·a·Kossiakoff;Shane Chen Saroj g . Regmi和玛丽Dasso国立卫生研究院;和多伦多大学的亚历山大·f·宫殿。

参考:Bley CJ,聂年代,莫伯斯吉瓦,et al .架构的细胞质核孔的面貌。科学。2022,376 (6598):eabm9129。doi:10.1126 / science.abm9129

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