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▲《科学》封面的最新研究揭示了核孔复合物的近原子分辨率精细结构（视频来源：HOELZ LABORATORY, CALTECH）
在数十亿年的地球生命演化历程中，细胞核的出现无疑是一个关键转折点。双层核膜将遗传物质与细胞质隔开，在保护遗传物质的同时也让细胞核成为细胞的控制中心，推动了生命演化的一次次腾飞。而物质进出细胞核的通道，就是核膜上的核孔复合物。核孔复合物是真核细胞中最复杂的超分子复合物之一，由600~1000个蛋白质构成。除了负责大分子物质运输，这个结构对于基因表达的调控也至关重要，它的功能异常可能导致一系列致病突变，并且与病毒感染的毒性密切相关。核孔复合物的重要性不言而喻，但其高分辨率结构是什么样的、上千个蛋白质如何组装成核孔复合物的三维结构？这些问题是结构生物学的长期未解之谜，这也限制了我们对细胞生命活动以及相关疾病机制的理解。直到今日，《科学》杂志以封面专题形式发表了5篇论文，彻底改变了这一局面。其中3篇论文共同揭开了人体核孔复合物的近原子分辨率冷冻电镜结构，另外两项研究通过非洲爪蟾呈现了脊椎动物核孔复合物的单颗粒冷冻电镜图像。这些发现让我们以前所未有的视角理解核孔复合物是如何构建的，并进一步剖析核孔复合物的众多功能。
核孔复合物的主体结构呈圆环形——大约30种核孔蛋白（也就是组成核孔复合物的蛋白）构成了4个同轴的环状结构，分别是细胞质一侧的胞质环（CR）、细胞核一侧的核质环（NR）、位于这两个环之间的内环（IR），以及嵌入双层核膜中的腔环(LR)。其中，胞质环、内环和核质环组成了环状支架，这是整个复合物的“骨架”；而附着在胞质环上的胞质丝、附着在核质环上的核篮、内环中的苯丙氨酸-甘氨酸（FG）重复序列共同构成的选择性屏障，是核孔复合物运输大分子的核心通道。对于这些核孔复合物中的重要结构，最新研究展开了细致解析。在其中一项研究中，来自德国马普生物物理学研究所和欧洲分子生物学实验室的研究团队将胞质环和内环的分辨率提升了一倍，达到1.2纳米。他们结合了基于人工智能的结构预测以及冷冻电镜断层成像，揭示了人体核孔复合物在收缩和扩张状态下的动态构象。
▲人体核孔复合物的支架构象（图片来源：参考资料[1]）加州理工学院André Hoelz教授领导了另外两项关于人体核孔复合物的研究，他们结合了多种研究手段，进一步解释了核孔复合物结构的冷冻电镜重建结果。其中一项研究关注的，是连接核孔复合物不同亚基的接头核孔蛋白（linker NUP）。研究发现，接头核孔蛋白构成的支架提供了足够的弹性与牢固程度，使得核心运输通道可以反复收缩或扩张。而另一项研究聚焦于核孔复合物的胞质丝，这些丝状结构对于RNA向核外运输非常重要。对于胞质一侧的近原子分辨率结构重建，揭示了胞质丝附着于支架的具体方式，并发现了在不同物种间保守的胞质丝核孔蛋白复合物。这项发现不仅进一步揭示了核孔复合物的分子基础，还有助于理解病毒对核孔复合物的影响、揭开核孔蛋白疾病的机制。
▲人体核孔复合物胞质一侧的结构（图片来源：参考资料[3]）以上三项深入阐述了人体核孔复合物结构，而另外两项研究的关注对象则是非洲爪蟾卵母细胞，它们的核膜上长有较大的核孔复合物颗粒，因此研究人员可以利用冷冻电镜进行单颗粒重建。其中，哈佛大学吴皓教授团队结合冷冻电镜研究与AlphaFold，揭示了非洲爪蟾核孔复合物胞质环的精细结构。AlphaFold与冷冻电镜相结合的全新研究手段，进一步提升了结构建模的分辨率、加深对核孔复合物功能的认识。而在最后一篇研究论文中，西湖大学施一公教授团队得到了胞质环的高分辨率单颗粒冷冻电镜结构，这也是目前分辨率最高的胞质环结构重建。核孔复合物的精细结构曾经困扰结构生物学家多年，被视作结构生物学中最大的挑战之一。而现在，基于冷冻电镜技术的进步以及人工智能等多种研究手段的协作，我们终于看清了这个重要结构的真面目。在同期的观点文章中，麻省理工学院Thomas Schwartz教授点评道：“这一系列研究帮助我们理解脊椎动物核孔复合物的组装方式，使得人们可以以前所未有的精度研究核孔复合物的功能和结构。”参考资料：
[1] Shyamal Mosalaganti et al., AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abm9506
[2] Stefan Petrovic et al., Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abm9798
[3] Christopher J. Bley et al., Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abm9129
[4] Pietro Fontana et al., Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abm9326
[5] Xuechen Zhu et al., Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex. Science (2022) DOI: 10.1126/science.abl8280
[6] Solving the nuclear pore puzzle. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq4792https://www.eurekalert.org/news-releases/955054
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