细胞核中微小的孔---称为核孔---通过保护和保存遗传物质对健康衰老起着至关重要的作用。在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克生物物理研究所理论生物物理系和美茵茨大学的研究人员实际上填补了对核孔的结构和功能的理解上的一个漏洞。相关研究结果发表在2023年5月4日的Nature期刊上，论文标题为“Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ”。
这些作者发现，核孔中心的内在无序蛋白如何形成一种类似意大利面条的移动屏障，该移动屏障对重要的细胞因子来说是可渗透的，但却能阻止病毒或其他病原体。
人类细胞通过核膜将遗传物质保护在细胞核内。作为细胞的控制中心，细胞核必须能够与细胞的其他部分交换重要的信使分子、代谢物或蛋白。因此，大约有2000个核孔内置在核膜上，每个核孔由大约1000个蛋白组成。
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几十年来，科学家们一直对这些充当基因组守护者的核孔的三维结构和功能着迷：控制细胞所需的物质被允许通过核孔，而病原体或其他破坏DNA的物质被阻止进入核孔。因此，核孔可以被认为是分子保镖，每秒钟检查成千上万的访客。只有那些有入场券的访客才能被允许通过核孔。
核孔如何管理这一巨大的任务？约有300个附着在核孔支架上的蛋白像触角一样深入到核孔中心的开口处。在此之前，科学家们还不知道这些触角是如何排列的，以及它们如何排斥入侵者。这是因为这些蛋白是内在无序的，缺乏确定的三维结构。它们是灵活的，不断地移动，就像沸水中的意大利面条。
显微镜和计算机模拟的结合
由于这些内在无序蛋白（intrinsically disordered protein, IDP）不断改变它们的结构，科学家很难破译它们的三维结构和功能。在这项新的研究中，这些作者用于对蛋白进行成像的大多数实验技术只对确定的三维结构起作用。到目前为止，核孔的中心区域一直被表示为一个开口，因为无法确定IDP在开口处的组装。
在马克斯-普朗克生物物理研究所主任Gerhard Hummer和美茵茨大学合成生物物理学教授Edward Lemke的领导下，这些作者如今通过组合使用合成生物学、多维荧光显微镜和基于计算机的模拟来研究活细胞核孔中的IDP。
NUP98在核孔复合物内功能状态的位点特异性标记及其与体外相分离凝聚物的比较。图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05990-0。
Lemke解释说，“我们使用现代精密工具，用荧光染料标记这些类似意大利面的蛋白的几个点，我们通过光线激发这些蛋白，并在显微镜下进行观察。根据发光模式和持续时间，我们能够推断出这些蛋白必须如何排列。”Hummer补充说，“我们随后使用分子动力学模拟来计算IDP在核孔中的空间组装方式，它们如何相互作用以及它们如何移动。我们第一次可以直观地看到通往人类细胞控制中心的大门。”
作为运输屏障的动态蛋白网络
与我们以前所知道的相比，核孔中的IDP采取了完全不同的行为，因为它们彼此之间以及与核孔运输的货物之间相互作用。它们就像前面提到的沸水中的面条一样永久地移动。因此，在核孔的中心没有开口，而是一个由蠕动的、类似意大利面条的分子组成的防护罩。
病毒或细菌太大，无法通过这个防护罩。然而，细胞核中需要的其他大型细胞分子可以通过，因为它们携带非常特异性的分子信号。这类分子好比入场券，而病原体通常没有。论文共同作者、马克斯-普朗克生物物理研究所的Martin Beck补充说，“通过揭示核孔的填充物，我们进入了细胞核运输研究的新阶段。”
Hummer总结道，“了解核孔如何运输或阻止货物将帮助我们识别错误。毕竟，尽管这种移动屏障，一些病毒还是能够进入细胞核。”
Lemke说，“通过我们的方法组合，我们如今可以更详细地研究IDP，以发现为什么它们对于某些细胞功能是不可或缺的，尽管它们容易发生错误。事实上，IDP几乎存在于所有物种中，尽管它们在衰老过程中具有形成聚合物的风险，这可能导致神经退行性疾病，如阿尔茨海默病。”通过了解IDP的功能，这些作者旨在开发新的药物或疫苗，以防止病毒感染并帮助实现健康衰老。（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Miao Yu et al. Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05990-0.
