Shi Yigong und andere Teams erscheinen auf dem Cover von Science: KI und Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllen die NPC-Struktur auf „atomarer Ebene', ein Durchbruch in den Biowissenschaften

Bevor wir mit dem Text beginnen, werfen wir einen Blick auf ein Bild. Im Bild unten ist es offensichtlich, dass die rechte Bildhälfte umfangreichere Informationen und eine klarere Struktur darstellt. Die linke Hälfte des Bildes von 2016 hat eine relativ einfache Struktur und stellt weniger Informationen dar:

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Tatsächlich ist das, was oben gezeigt wird, ein Bild des Nuclear Pore Complex (NPC). Der aus etwa 1.000 Proteinuntereinheiten bestehende Kernporenkomplex ist für den geschäftigen Transport von Makromolekülen zwischen Zellkern und Zytoplasma eukaryotischer Zellen verantwortlich. Er ist auch der einzige wechselseitige Kanal, der Zytoplasma und Zellkern verbindet. Zusätzlich zur Koordination des Transports organisieren NPCs wesentliche Lebensereignisse wie Transkription, mRNA-Reifung, Spleißosomen- und Ribosomenassemblierung. Die wichtige Rolle von NPC ist zu einem Schlüsselpunkt bei Krankheitsmutationen und Wirt-Pathogen-Interaktionen geworden.

Dank der Entwicklung der Technologie zur vollständigen Kernporenstruktur mit niedriger Auflösung und zur Strukturtechnologie für hochauflösende Kernporenkomponenten haben Zellkernporen immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Es war jedoch eine schwierige Herausforderung, diese Informationen zu nutzen, um mehr als 30 verschiedene Proteinkopien korrekt zusammenzusetzen und hochauflösende dreidimensionale Strukturen zu konstruieren.

Heute veröffentlichte das Magazin „Science“ fünf Artikel als Titelbeiträge, von denen drei gemeinsam die Struktur des menschlichen Kernporenkomplexes durch Kryo-Elektronenmikroskopie mit nahezu atomarer Auflösung enthüllten, und die anderen beiden Studien durch Xenopus laevis Einzelpartikel Kryo-EM-Bilder des Kernporenkomplexes von Wirbeltieren werden präsentiert. Dieser Titelartikel fügt mehrere Forschungsergebnisse zusammen, um ein Bild menschlicher NPCs auf nahezu atomarer Ebene zu erstellen.

​Papieradresse: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210

Dieses Forschungsergebnis basiert auf mehreren Studien, darunter mehreren zehn Jahren unter anderem biochemische Rekonstruktion, Röntgenkristallographie, Massenspektrometrie, Mutagenese und Zellbiologie. Menschliche NPCs wurden mithilfe einer stark verbesserten Kryo-Elektronentomographie rekonstruiert und Komponenten mithilfe von Techniken der künstlichen Intelligenz genau modelliert. Es gibt andere Studien, die die Auflösung von Einzelpartikel-Kryo-EM verbessert haben und die Visualisierung von Sekundärstrukturelementen und Details auf Rückstandsebene von Wirbeltier-NPCs ermöglichen. Der molekulare Aufbau bereichert unser Verständnis der Architektur von Wirbeltier- und menschlichen NPCs – vom alten Kerngerüst bis zu den Connexinen, die die Teile zusammenhalten, und von der Kernmembranverankerung an den zytoplasmatischen Filamenten über dem zentralen Transportkanal.

Die hier berichteten Forschungsergebnisse stellen eine Win-Win-Kooperation zwischen experimenteller Strukturbiologie und künstlicher Intelligenz dar und sind ein weiterer Sieg für die Menschheit bei der Erforschung der biologischen, mikroskopischen Welt. Darüber hinaus zeigt es auch, dass die anhaltende Revolution in der Auflösung unersetzlich ist, wenn es darum geht, die Prinzipien der Konstruktion und des Designs makromolekularer Anordnungen zu verstehen.

Nachfolgend finden Sie eine Querschnittsansicht des menschlichen Kernporenkomplexes im Jahr 2022 mit neu aufgelösten Komponenten, einschließlich des symmetrischen Kerns (orange) und der zytoplasmatischen Filamente (gelb):

Fünf Forschungsarbeiten

Papier 1: „Architektur der zytoplasmatischen Fläche der Kernpore“

Papieradresse: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

Nuklear Der Porenkomplex (NPC) ist der einzige bidirektionale Kanal für den nukleozytoplasmatischen Transport. Trotz jüngster Fortschritte bei der Aufklärung der symmetrischen Kernstruktur des NPC bleibt die asymmetrisch verteilte zytoplasmatische Oberfläche, die ein Hotspot für den mRNA-Export und Nukleoporin-bedingte Krankheiten darstellt, weiterhin unerforscht.

Forscher des California Institute of Technology und anderer Institutionen berichten über die zusammengesetzte Struktur der menschlichen Zytoplasmaoberfläche, die durch die Kombination von biochemischer Rekonstruktion, Kristallstrukturbestimmung, Kryo-Elektronentomographie-Rekonstruktion und physiologischer Überprüfung erhalten wurde. Während artspezifische Motive einen evolutionär konservierten, ~540 Kilodalton heterohexameren zytoplasmatischen Filament-Nucleoporin-Komplex über dem zentralen Transportkanal verankern, hängt die Anbindung des pentameren NUP358-Bündels von der bizyklischen Anordnung im Hüll-Nucleoporin-Komplex ab. Die komplexen Strukturen, die sie aufdecken, und ihre Vorhersagekraft bieten eine reichhaltige Grundlage für die Aufklärung der molekularen Grundlagen des mRNA-Exports und von Nukleoporin-Erkrankungen.

Zytoplasmatisches Gesicht eines menschlichen NPC.

Papier 2: „Architektur des Linker-Gerüsts in der Kernpore“​

Papieradresse: https://www.science.org/doi/10.1126/science .abm9798

Während man die Anordnung strukturierter Gerüstnukleoporine im symmetrischen Kern von NPCs bestimmen konnte, bleibt ihr Zusammenhalt durch multivalente unstrukturierte Linker-Nukleoporine unklar.

Durch die Kombination von biochemischer Rekonstruktion, hochauflösender Strukturbestimmung, Kryo-Elektronentomographie-Rekonstruktion und physiologischer Validierung klären Caltech-Forscher die evolutionär konservierte Linker-Gerüststruktur auf, die etwa 64 Megadalen des menschlichen NPC A-nahatomaren Verbundstrukturkerns erzeugt mit Megadalton-Symmetrie. Während Gelenke typischerweise eine starre Rolle spielen, bietet das Gelenkgerüst des NPC die notwendige Plastizität und Robustheit für die reversible Kontraktion und Erweiterung seiner zentralen Transportkanäle und die Entstehung lateraler Kanäle. Ihre Ergebnisse treiben die strukturelle Charakterisierung des NPC-Symmetriekerns erheblich voran und legen den Grundstein für zukünftige Funktionsstudien.

​ Gelenkhalterungsstruktur für den menschlichen NPC-Symmetriekern.

Papier 3: „KI-basierte Strukturvorhersage ermöglicht integrative Analyse menschlicher Kernporen“​

​Papieradresse: https://www.science.org/doi / 10.1126/science.abm9506

Obwohl Kernporenkomplexe (NPCs) den nukleozytoplasmatischen Transport vermitteln, ist ihre komplexe 120-Megadalton-Architektur noch immer unvollständig verstanden. Forscher am Max-Planck-Institut für Biophysik und anderen berichten über ein 70-Megadalton-Modell eines menschlichen NPC-Gerüsts mit expliziten Membranen und mehreren Konformationszuständen.

Sie kombinieren KI-basierte Strukturvorhersagen mit In-situ- und zellulärer Kryo-Elektronentomographie sowie umfassender Modellierung. Die Ergebnisse zeigen, dass Linker-Nukleoporine Gerüste innerhalb und zwischen Subkomplexen organisieren, um Strukturen höherer Ordnung aufzubauen. Mikrosekundenlange Molekulardynamiksimulationen zeigen, dass das Gerüst nicht zur Stabilisierung der Verschmelzung der inneren und äußeren Kernmembranen erforderlich ist, sondern vielmehr zur Vergrößerung der zentralen Pore. Sie veranschaulichen, wie KI-basierte Modellierung mit In-situ-Strukturbiologie kombiniert werden kann, um subzelluläre Strukturen über alle Ebenen der räumlichen Organisation hinweg zu verstehen.

70-Megadalton-Modell der menschlichen NPC-Gerüstarchitektur.

Aufsatz 4: „Struktur des zytoplasmatischen Rings des Kernporenkomplexes von Xenopus laevis“​

​Papieradresse: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

Westlake University und Tsinghua University analysierten Xenopus laevis NPC mit einer Auflösung von 3,7-4,7 Angström (Angström) Single -Teilchen-Kryo-Elektronenmikroskop-Rekonstruktion der Untereinheit des zytoplasmatischen Rings. Davon wurde die Struktur der Amino-terminalen Domäne von Nup358 auf 3,0 Å aufgelöst, was die Identifizierung von fünf Nup358-Molekülen in jeder Untereinheit des zytoplasmatischen Rings erleichterte.

Das endgültige Modell der Untereinheit des zytoplasmatischen Rings der Forscher umfasst fünf Nup358-, zwei Nup205- und zwei Nup93-Moleküle sowie zwei zuvor charakterisierte Y-Komplexe. Das carboxylterminale Fragment von Nup160 dient als Organisationszentrum für die Spitze jedes Y-Komplexes. Die Strukturanalyse zeigt, wie Nup93, Nup205 und Nup358 den Aufbau eines zytoplasmatischen Ringgerüsts fördern und verbessern, das hauptsächlich aus zwei Schichten von Y-Komplexen besteht.

​Kryo-EM-Struktur des Xenopus laevis NPC-Doppelschicht-Zytoplasmarings.

Papier 5: „Struktur des zytoplasmatischen Rings des Kernporenkomplexes durch integrative Kryo-EM und AlphaFold“​

​Papieradresse: https://www.science.org /doi/10.1126/science.abm9326

Forscher der Harvard Medical School und anderer Institutionen nutzten Einzelpartikel-Kryoelektronenmikroskopie und AlphaFold-Vorhersage, um eine nahezu vollständige NPC-Zytoplasma-Ringstruktur aus Xenopus laevis-Oozyten zu bestimmen. Konkret nutzten sie AlphaFold, um die Struktur von Nukleoporinen vorherzusagen und die Karte mit mittlerer Auflösung anzupassen, wobei sie die prominente Sekundärstrukturdichte als Orientierungshilfe nutzten.

Darüber hinaus wurden bestimmte molekulare Wechselwirkungen durch komplexe Vorhersagen mit AlphaFold weiter nachgewiesen oder bestätigt. Die Forscher identifizierten fünf Bindungsmodi für Nup358, die größte NPC-Untereinheit mit Phe-Gly-Wiederholungen für den Transport. Sie sagten voraus, dass Nup358 eine Coiled-Coil-Domäne enthält, die Aktivität bereitstellt und dabei hilft, unter bestimmten Bedingungen als Keimbildungszentrum für die NPC-Bildung zu dienen.

Kryo-EM-Struktur des zytoplasmatischen Rings von Xenopus NPC.

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonShi Yigong und andere Teams erscheinen auf dem Cover von Science: KI und Kryo-Elektronenmikroskopie enthüllen die NPC-Struktur auf „atomarer Ebene', ein Durchbruch in den Biowissenschaften. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!