开始写之前，先来看一张图。右半部分代表的信息更丰富，结构更清晰。2016年的左半部分结构比较简单，代表的信息也比较少：实际上，上图是核孔复合体（NPC）的图像。由约1000个蛋白质亚基组成的核孔复合体，负责大分子在真核细胞核和细胞质之间的繁忙运输，也是连接细胞质和细胞核的唯一双向通道。除了协调运输外，NPC还组织转录、mRNA成熟、剪接体和核糖体组装等基本生命活动。NPC的强大作用已成为疾病突变和宿主-病原体相互作用的关键点。由于低分辨率全核孔结构和高分辨率核孔组成结构技术的发展，核孔越来越受到关注。然而，利用这些信息正确组装30多种不同蛋白质的副本并构建高分辨率3D结构一直是一项艰巨的挑战。今天，《Science》杂志以封面特辑的形式发表了五篇论文，其中三篇共同揭示了人类核孔复合体的近原子分辨率冷冻电镜结构，另外两篇研究展示了脊椎动物核孔复合物的单粒子冷冻电镜图像。核孔复合体。这篇封面文章将多项研究的结果拼接在一起，形成了人类NPC的近原子图像。论文地址：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210这项研究建立在多项研究的基础上，包括数十年的生化重建、X射线晶体学、质谱生物学、诱变和细胞生物学。使用大大改进的冷冻电子断层扫描技术重建人类NPC，并使用人工智能技术对组件进行精确建模。还有一些研究提高了单粒子冷冻电镜的分辨率，使脊椎动物NPC的二级结构元素和残留水平细节可视化。分子组装丰富了我们对脊椎动物和人类NPC结构的理解——从旧的核支架到将部件固定在一起的连接蛋白，以及从中央运输通道上方的核膜锚定的细胞质丝。此次报道的研究成果代表了实验结构生物学与人工智能的合作共赢，是人类探索生物微观世界的又一次胜利。此外，正在进行的分辨率革命被证明在我们寻求理解大分子组装体的构建和设计原理方面是不可替代的。下面是2022年人类核孔复合体的横截面图，新解析的成分包括对称核（橙色）和细胞质丝（黄色）：五篇研究论文论文1：《Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129核孔复合体(NPC)是核质运输的唯一双向通道。尽管最近在阐明NPC对称核心结构方面取得了一些进展，但对于mRNA输出和核孔蛋白相关疾病热点，不对称分布的细胞质表面仍然难以捉摸。加州理工学院和其他机构的研究人员报告了通过结合生化重建、晶体结构测定、低温电子断层扫描重建和生理学验证获得的人类细胞质面的复合结构。虽然物种特异性基序在中央转运通道上方锚定了一个进化上保守的约540道尔顿异六聚体细胞质细丝核孔蛋白复合物，但NUP358五聚体束的附着取决于外壳核孔蛋白复合物的双环排列。它们揭示的复杂结构及其预测能力为阐明mRNA输出和核孔蛋白疾病的分子基础提供了丰富的基础。人类NPC的细胞质面孔。论文2：《Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798虽然结构化支架核孔蛋白在NPC对称核中的排列已经确定，但它们是非结构化连接体核孔蛋白的内聚仍然难以捉摸通过结合生化重建、高分辨率结构测定、低温电子断层扫描重建和生理学验证，加州理工学院的研究人员阐明了一种进化上保守的接头支架结构，产生了约64兆道尔顿的人类NPC对称近原子复合结构核。虽然链接器通常起到刚性作用，但NPC的链接器支架为其中央传输通道的可逆收缩和扩展以及横向通道的出现提供了必要的可塑性和稳健性。他们的结果极大地推进了NPC对称核心的结构表征，为未来的功能研究奠定了基础。人类NPC对称核心的关节支架结构。论文3：《AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506尽管核孔复合物（NPCs）介导核质转运，但其错综复杂的120兆道尔顿结构仍未被完全理解。马克斯普朗克生物物理研究所的研究人员等报告了一个70兆道尔顿的人类NPC支架模型，该支架具有明确的膜和多种构象状态。他们将基于人工智能的结构预测与原位和低温电子断层扫描、综合建模相结合。结果表明，衔接子核孔蛋白在亚复合物内部和亚复合物之间组织支架以建立高阶结构。微秒长的分子动力学模拟表明，支架不需要稳定内外核膜的融合，而是扩大中央孔隙。他们说明了如何将基于人工智能的建模与原位结构生物学相结合，以了解跨空间组织水平的亚细胞结构。人类NPC支架结构的70兆道尔顿模型。论文4：《Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280西湖大学和清华大学以3.7-4.7埃的分辨率分析非洲爪蟾NPC细胞质环亚基受到单粒子冷冻电子显微镜重建。其中，Nup358氨基末端结构域的结构被解析到3.0埃，这有助于在每个细胞质环亚基中识别出5个Nup358分子。研究人员最终的细胞质环亚基模型包括五个Nup358、两个Nup205和两个Nup93分子，以及两个先前表征的Y复合体。Nup160的羧基末端片段充当每个Y复合体顶点的组织中心。结构分析揭示了Nup93、Nup205和Nup358如何促进和加强主要由双层Y复合体形成的细胞质环支架的组装。非洲爪蟾NPC双层细胞质环的冷冻电子显微镜结构。论文5：《Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold》论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326哈佛医学院等机构的研究人员利用单粒子冷冻电镜和AlphaFold预测从Xenopuslaevis在卵母细胞中确定了一个几乎完整的NPC细胞质环结构。具体来说，他们使用AlphaFold来预测核孔蛋白的结构，并使用显着的二级结构密度作为指导来拟合中等分辨率的图谱。此外，某些分子相互作用通过使用AlphaFold的复杂预测得到进一步建立或确认。研究人员确定了Nup358结合模式的五个副本，Nup358是最大的NPC亚基，具有用于运输的Phe-Gly重复序列。他们预测Nup358包含一个卷曲螺旋结构域，该结构域可以赋予活性以帮助它在特定条件下充当NPC形成的成核中心。非洲爪蟾NPC细胞质环的冷冻电子显微镜结构。
