的新秘密核孔复杂的瓦解

无论你正在做什么,无论是开车,去慢跑,甚至在你懒,吃薯片和看电视在沙发上,有一个完整的套件的分子机器在你的每一个细胞都在埋头苦干。机械,太小了用肉眼去看,甚至有许多显微镜,为细胞创造能源,制造它的蛋白质,其DNA的复制,等等。

这些片段之间的机械,而其中最复杂的,是被称为核孔复合体(NPC)。全国人大,这是由超过1000种不同的蛋白质,是一个非常歧视细胞核的看门人,包围的区域内细胞,细胞的遗传物质。任何进出细胞核已通过全国人大。

全国人大作为看门人的核意味着它对细胞的操作是至关重要的。细胞核内的DNA,细胞的永久的遗传密码,复制成RNA。然后进行RNA的细胞核,因此它可以用于生产蛋白质细胞需要。全国人大确保核材料需要合成RNA,同时保护DNA免受核外的恶劣的环境和使RNA后离开原子核。

“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,”加州理工学院的说安德烈Hoelz化学和生物化学教授和教师霍华德休斯医学研究所的学者。二十多年,Hoelz一直在研究和破译人大的结构与其功能的关系。多年来,他不断的质疑它的秘密,解开一块通过一块通过一块通过一块。

本研究的影响是巨大的。不仅是全国人大的中央细胞的操作,它也参与许多疾病。突变在全国人大负责一些不可治愈的癌症,神经退行性和自身免疫性疾病如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)和急性坏死性脑病,和心脏条件包括心房纤颤和早期心脏性猝死。此外,许多病毒,包括一个负责COVID-19,目标和关闭全国人大的过程中他们的生命周期。

现在,在期刊上刊登的文章科学,Hoelz和他的研究小组描述两个重要的突破:确定结构的外表面全国人大和说明的特殊蛋白质的机制表现得像个分子胶水把全国人大粘在一起。

一个小3 d拼图

在他们的论文题为“细胞质面对核孔的架构,“Hoelz和他的研究小组描述他们如何映射结构的侧脸向外的全国人大细胞核和细胞的细胞质中。要做到这一点,他们必须解决一个小的等效3 d拼图,利用电子显微镜和x射线晶体学等成像技术在每个拼图。

斯蒂芬·佩特,一名研究生在生物化学和分子生物物理学和co-first论文的作者之一,表示这个过程开始大肠杆菌细菌(细菌实验室中常用的应变)基因工程生产的蛋白质构成人类的人大。

“如果你走进实验室,你可以看到这个巨大的墙的烧瓶文化增长,”佩特说。“我们每个蛋白质表达大肠杆菌细胞,破坏这些细胞开放,和化学净化每个蛋白质组件”。

一旦purification-which可能需要高达1500公升的细菌培养足够的材料为单个实验完成,研究小组开始精心测试全国人大的部分如何组合在一起。

乔治·莫伯斯高级化学博士后学者研究助理,另一个合作论文的第一作者,说,集会发生在“逐步”时尚;而不是将所有的蛋白质在一起倒入试管中与此同时,研究人员测试了双蛋白看到哪些组合在一起,像两个拼图。如果发现一对组合在一起,研究人员将测试两个如今蛋白质对第三个蛋白,直到他们找到了一个适合一对,然后生成的三件套结构测试与其他蛋白质,等等。以这种方式工作通过蛋白质最终产生他们的论文的最终结果:一个16-protein楔重复8次,像披萨片,形成全国人大。

“我们报道的第一个完整结构整个细胞质面对人类的人大,以及严格的验证,而不是报告一系列循序渐进的进步的片段或部分基于部分不完整,或低分辨率观察,“如果聂说化学博士后学者研究助理,也是co-first该论文的作者之一。“我们决定耐心等待,直到我们获得所有必要的数据,报告一个硕大的大量的新信息。”

工作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,德国的团队使用低温电子断层扫描提供的轮廓生成一个地图,一个难题,研究人员必须把碎片。加快完成拼图的人类人大结构,Hoelz和贝克两年多前交换数据,然后独立建造的结构整个人大。“大大改善了贝克地图显示更清晰,每一块的npc,我们确定了原子结构已经被放置,类似于一个木制框架定义了边缘的一个谜,”Hoelz说。

实验性地确定结构的人大部分Hoelz集团服务来验证建模贝克集团。“我们把结构独立的地图,使用不同的方法,但是最终的结果完全一致。是非常令人满意的看到,”佩特说。

“我们建立了一个框架,很多实验就可以完成,”克里斯托弗•Bley说高级博士后学者研究助理在化学和co-first作者。“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。有很多突变在全国人大与可怕的疾病相关联,并知道它们在结构和他们在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。”

“这优雅的意大利面条面条”

在其他论文,题为“linker-scaffold在核孔的架构,”研究小组描述了它如何确定整个结构被称为全国人大linker-scaffold-the帮助团结全国人大的蛋白质集合,同时也提供它的灵活性需要打开和关闭,调整自己以适应分子通过。

Hoelz把全国人大比作什么建立起来的乐高积木组合在一起没有锁定在一起,而是橡皮筋捆在了一起,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孔隙的暗物质,”Hoelz说。“这优雅的意大利面条面条拥有一切在一起。”

的过程描述linker-scaffold的结构是一样的过程用来描述全国人大的其他部分。团队生产和纯化大量的许多类型链接器和支架蛋白,使用多种生化实验和成像技术检查单个交互,测试和他们一块一块的,看看他们如何组合在一起的完整的人大。

检查他们的工作,他们引入突变的基因代码的链接器在一个活细胞蛋白质。因为他们知道这些突变的化学性质和形状会改变一个特定的链接器蛋白质,使其有缺陷,他们就可以预测会发生什么细胞的npc当这些缺陷的结构蛋白。如果细胞的npc功能和结构缺陷的预期,他们知道他们有正确的链接器安排蛋白质。

“细胞比简单的系统要复杂得多,我们创建在试管中,所以有必要验证结果从体内体外实验支撑,”佩特说。

大会全国人大的外脸还帮助解决一个长期神秘核膜,围绕原子核的双膜系统。像细胞的膜在核心所在,核膜不光滑。相反,它是镶嵌着被称为整合膜蛋白分子(小鬼)在各种各样的角色,包括作为受体和有助于催化生化反应。

虽然小鬼可以发现在内部和外部两方面的核膜,实际上已经不清楚他们是如何从一边到另一边。的确,因为小鬼滞留在膜的,但他们不能滑入人大的中心传输通道的分子自由浮动。

一旦Hoelz团队理解全国人大linker-scaffold的结构,他们意识到,它允许小“水槽”的形成在外边,让小鬼滑过去的全国人大从核膜的一边到另时总是保持嵌入膜本身。

“这解释了很多事情,一直神秘的领域。我非常高兴地看到,中央传输通道确实有能力扩张,形成横向盖茨对于这些小鬼,正如我们最初提出超过十年前,”Hoelz说。

综上所述,两篇论文的结果代表了飞跃的科学家对人类的人大是如何构建和它是如何工作的。团队的发现开门进行更多的研究。“有其结构决定的,我们现在可以专注于为全国人大工作出分子的基地的功能,如信使rna是如何导出和许多NPC-associated疾病的根本原因的目标发展新的治疗方法,“Hoelz说。

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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