Nature：扭曲的蛋白質保護著基因組

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-05-09 09:50:00【大中小】

摘要：核膜孔隙中的動態網絡阻止了危險的入侵者。

細胞核中的微小孔隙通過保護和保存遺傳物質，對健康衰老起著至關重要的作用。來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蛋白質紊亂合成生物物理學小組的一個研究小組，已經填補了對這些核孔的結構和功能的理解上的一個空白。科學家們發現，毛孔中心的內在無序蛋白質是如何形成意大利面狀的移動屏障的，這種屏障對重要的細胞因子是可滲透的，但卻阻擋了病毒或其他病原體。

圖1 科學家們發現毛孔中心的內在無序蛋白質是如何形成移動屏障

人類細胞通過核膜將遺傳物質保護在細胞核內。作為細胞的控制中心，細胞核必須能夠與細胞的其他部分交換重要的信使分子、代謝物或蛋白質。因此，核膜上大約有2000個孔，每個孔由大約1000種蛋白質組成。

幾十年來，研究人員一直著迷于這些核孔的三維結構和功能，它們充當基因組的守護者:控制細胞所需的物質被允許通過，而病原體或其他DNA損傷物質則被阻止進入。因此，核孔可以被認為是分子屏障，每個孔每秒檢查數千個訪客。只有那些有門票的人才可以通過。

核孔是如何完成這項艱巨的任務的?附著在孔支架上的大約300個蛋白質像觸角一樣深入到中心開口。直到現在，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。這是因為這些蛋白質本質上是無序的，缺乏明確的三維結構。它們柔韌且不斷移動——就像沸水里的意大利面一樣。

結合顯微鏡和計算機模擬

由于這些內在無序蛋白(IDPs)的結構不斷改變，科學家很難破譯它們的三維結構和功能。研究人員用于蛋白質成像的大多數實驗技術僅適用于定義的3D結構。到目前為止，核孔的中心區域一直被表示為一個孔，因為不可能確定開口中IDPs的組織。

由馬克斯普朗克生物物理研究所所長Gerhard Hummer和美因茨大學合成生物物理學教授Edward Lemke領導的研究小組現在使用合成生物學、多維熒光顯微鏡和基于計算機的模擬的新組合來研究活細胞中的核孔IDPs。

Lemke解釋說:“我們使用現代精密工具用熒光染料標記了蛋白質的幾個點，我們用光激發熒光染料，并在顯微鏡下觀察。”“根據發光模式和持續時間，我們能夠推斷出蛋白質必須如何排列。”Hummer補充說:“然后，我們使用分子動力學模擬來計算IDPs在孔隙中的空間組織方式，它們如何相互作用以及它們如何移動。這是我們第一次看到通往人類細胞控制中心的大門。”

圖2 NUP98在NPC內功能狀態下的位點特異性標記以及與體外相分離縮合物的比較

動態蛋白質網絡作為運輸屏障

與我們之前所知道的相比，運輸孔中的觸角表現出完全不同的行為，因為它們相互作用，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。所以，在毛孔的中心沒有孔，而是一層扭曲的，像意大利面一樣的分子。病毒或細菌太大，無法通過這個篩子。然而，細胞核中需要的其他大細胞分子可以通過，因為它們攜帶著非常特殊的信號。這些分子有一張入場券，而病原體通常沒有。“通過解開孔隙填充，我們進入了核傳輸研究的一個新階段，”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充道。

“了解孔隙如何運輸或阻塞貨物將有助于我們識別錯誤。畢竟，盡管有屏障，一些病毒還是設法進入了細胞核。”“通過我們的方法組合，我們現在可以更詳細地研究IDPs，以找出為什么它們對于某些細胞功能是不可或缺的，盡管容易出錯。事實上，幾乎在所有物種中都發現了IDPs，盡管它們在衰老過程中有形成聚集體的風險，這可能導致神經退行性疾病，如阿爾茨海默氏癥，”Lemke說。通過了解IDPs的功能，研究人員旨在開發新的藥物或疫苗，以預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