新研究揭示核孔复合体转运核糖体前体的分子机制|全球热文

(资料图)

清华新闻网6月5日电NPC（核孔复合体）是细胞内最庞大、最复杂的分子机器之一，是介导生物大分子进行核质转运的唯一通道，参与细胞内众多重要的生命活动，其功能的紊乱能够引起包括癌症在内的多种严重的疾病。近年来，通过整合冷冻电镜技术、X射线晶体学、质谱学和人工智能等技术，NPC的三维结构正在逐步得到解析。然而，关于其核质转运的分子机制仍然是不清楚的。核糖体是NPC转运的最具代表性的生物大分子组装体之一，负责合成生命的基础物质——蛋白质分子。核糖体的生物合成涉及200多个组装因子的参与，是一个高度有序的调控过程。核糖体在成熟之前，其大小亚基的组装首先起始于核仁区域，随后在核仁和核质中经过一系列的加工过程，经由NPC转运至细胞质中完成最后的成熟。近年来，科学家们已经报道了许多核糖体前体的高分辨结构，几乎涵盖了细胞核和细胞质组装阶段的主要步骤。然而，目前仍缺乏核糖体前体在NPC核质转运过程中的关键结构，这极大地阻碍了我们对核糖体在细胞内成熟过程的理解。

5月31日，南方科技大学生命科学学院、冷冻电镜中心，清华大学生命科学学院隋森芳院士团队在国际顶尖期刊《自然》（Nature）上发表了题为“核糖体前体大亚基通过核孔复合体的出核转运”（Nuclear export of the pre-60S particles through nuclear pore complex）的最新研究成果，该成果解析了处于NPC孔道内核糖体前体（pre-60S）的高分辨结构，展示了pre-60S通过NPC孔道过程中构象和组成变化，阐述了NPC协助pre-60S进行出核转运的分子机制，为进一步理解NPC转运生物大分子的生理功能提供了重要的理论依据。

不久前，隋森芳课题组利用冷冻电镜单颗粒技术解析了酵母NPC的结构，把酵母NPC的内环（Inner ring，IR）结构推进到近原子分辨率3.73埃，该工作是迄今为止酵母NPC内环的最详尽、最精确的结构模型。在此工作的基础上，隋森芳课题组近期在NPC内环的孔道里捕捉到被转运生物大分子颗粒的结构信息。综合运用生物化学和冷冻电子显微学的研究手段证明，处于NPC孔道内的生物大分子颗粒是核质转运过程中的核糖体前体pre-60S，并将pre-60S的结构分辨率解析到2.64埃（图1a-c）。通过大量的统计学分析，该结构第一次揭开pre-60S颗粒在通过NPC孔道时的行为特征。孔道中pre-60S的表面结合了迄今为止报道的几乎所有转运因子，说明pre-60S的出核转运是一个十分耗能且复杂的过程（图1c-d）。结构分析显示pre-60S在出核前后展现出明显的差异性，主要表现为如下特征：组成上展示出大量组装因子和转运因子的结合与解离；结构上在L1 stalk（L1茎）、H38（核糖体RNA螺旋38）、ES27（核糖体RNA扩展片段27）和PTC（肽基转移酶中心）区域也呈现出剧烈的构象变化（图2）。