Shi Yigong dan pasukan lain muncul di muka depan Sains: AI dan mikroskop cryo-elektron mendedahkan struktur NPC "tahap atom", satu kejayaan dalam sains hayat

Sebelum memulakan teks, mari kita lihat pada gambar Dalam gambar di bawah, jelas bahawa separuh kanan gambar mewakili maklumat yang lebih kaya dan struktur yang lebih jelas. Separuh kiri gambar pada 2016 mempunyai struktur yang agak mudah dan mewakili kurang maklumat:

​

Malah, apa yang ditunjukkan di atas adalah imej kompleks liang nuklear (NPC). Kompleks liang nuklear, yang terdiri daripada kira-kira 1,000 subunit protein, bertanggungjawab untuk pengangkutan sibuk makromolekul antara nukleus dan sitoplasma sel eukariotik Ia juga merupakan satu-satunya saluran dua hala yang menghubungkan sitoplasma dan nukleus. Selain menyelaraskan pengangkutan, NPC menganjurkan peristiwa kehidupan penting seperti transkripsi, pematangan mRNA, pemasangan spliceosome dan ribosom. Peranan kuat NPC telah menjadi titik utama dalam mutasi penyakit dan interaksi hos-patogen.

Terima kasih kepada pembangunan struktur liang nuklear penuh resolusi rendah dan teknologi struktur komposisi liang nuklear resolusi tinggi, liang nuklear sel telah mendapat lebih banyak perhatian. Walau bagaimanapun, menggunakan maklumat ini untuk memasang lebih daripada 30 salinan protein yang berbeza dengan betul dan membina struktur tiga dimensi resolusi tinggi telah menjadi satu cabaran yang sukar.

Hari ini, majalah Sains menerbitkan 5 kertas kerja sebagai ciri muka depan, 3 daripadanya bersama-sama mendedahkan struktur mikroskopi krio-elektron resolusi hampir atom kompleks liang nuklear manusia Dua kajian lain dibentangkan secara tunggal -imej cryo-EM zarah kompleks liang nuklear vertebrata dalam Xenopus laevis. Artikel muka depan ini menggabungkan beberapa kajian untuk mencipta gambaran hampir tahap atom NPC manusia.

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

Penemuan ini dibina atas dekad penyelidikan termasuk pembinaan semula biokimia, kristalografi sinar-X, spektrometri jisim, mutagenesis dan biologi sel. NPC manusia telah dibina semula menggunakan tomografi cryo-elektron yang dipertingkatkan dan komponen telah dimodelkan dengan tepat menggunakan teknik kecerdasan buatan. Terdapat kajian lain yang telah meningkatkan resolusi cryo-EM zarah tunggal, membolehkan visualisasi elemen struktur sekunder dan butiran tahap sisa NPC vertebrata. Himpunan molekul memperkaya pemahaman kita tentang seni bina NPC vertebrata dan manusia—dari perancah nuklear lama kepada penghubung yang memegang bahagian bersama, dan daripada membran nuklear yang berlabuh ke filamen sitoplasma di atas saluran pengangkutan pusat.

Hasil penyelidikan yang dilaporkan di sini mewakili kerjasama menang-menang antara biologi struktur eksperimen dan kecerdasan buatan, dan merupakan satu lagi kemenangan bagi manusia untuk meneroka dunia mikroskopik biologi. Di samping itu, ia juga menunjukkan bahawa revolusi berterusan dalam resolusi tidak boleh digantikan dalam usaha kami untuk memahami prinsip pembinaan dan reka bentuk himpunan makromolekul.

Gambar di bawah menunjukkan pandangan keratan rentas kompleks liang nuklear manusia pada tahun 2022. Komponen yang baru diselesaikan termasuk teras simetri (oren) dan filamen sitoplasma (kuning):

Lima kertas penyelidikan

Kertas 1: "Seni bina muka sitoplasma liang nuklear"

Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

Kompleks liang nuklear (NPC) ialah satu-satunya saluran dua arah untuk pengangkutan nukleositoplasma. Walaupun terdapat beberapa kemajuan baru-baru ini dalam menjelaskan struktur teras simetri NPC, permukaan sitoplasma teragih tidak simetri yang merupakan titik panas untuk eksport mRNA dan penyakit berkaitan nukleoporin masih sukar difahami.

Penyelidik dari Caltech dan institusi lain melaporkan struktur komposit permukaan sitoplasma manusia yang diperoleh dengan menggabungkan pembinaan semula biokimia, penentuan struktur kristal, pembinaan semula tomografi cryo-elektron dan pengesahan fisiologi. Walaupun motif khusus spesies menambat pada pemuliharaan secara evolusi, ~540 kilodalton kompleks nukleoporin filamen sitoplasma heteroheksamerik sitoplasma di atas saluran pengangkutan pusat, lampiran berkas pentamerik NUP358 bergantung pada susunan Bicyclic dalam kompleks nukleoporin kot. Struktur kompleks yang mereka dedahkan dan kuasa ramalannya menyediakan asas yang kaya untuk menjelaskan asas molekul eksport mRNA dan penyakit nukleoporin.

Muka sitoplasma NPC manusia.

Kertas 2: "Seni bina perancah penghubung dalam liang nuklear" ​

Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798

Walaupun Susunan nukleoporin perancah berstruktur dalam teras simetri NPC telah ditentukan, tetapi kohesi mereka melalui nukleoporin penghubung tidak berstruktur multivalen masih sukar difahami.

Dengan menggabungkan pembinaan semula biokimia, penentuan struktur resolusi tinggi, pembinaan semula tomografi cryo-elektron, dan pengesahan fisiologi, penyelidik Caltech menjelaskan struktur perancah penghubung yang dipelihara secara evolusi, menghasilkan NPC manusia mempunyai teras struktur komposit hampir atom dengan kira-kira 64 megadalton simetri. Walaupun sendi biasanya memainkan peranan yang tegar, perancah sendi NPC memberikan keplastikan dan keteguhan yang diperlukan untuk penguncupan dan pengembangan saluran pengangkutan pusatnya yang boleh diterbalikkan dan kemunculan saluran sisi. Keputusan mereka dengan ketara memajukan pencirian struktur teras simetri NPC dan meletakkan asas untuk kajian fungsi masa hadapan.

​ Struktur perancah bersama untuk teras simetri NPC manusia.

Kertas 3: "Ramalan struktur berasaskan AI memperkasakan analisis struktur integratif liang nuklear manusia" ​

​Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506

Walaupun kompleks liang nuklear (NPC) menjadi pengantara pengangkutan nukleositoplasma, seni bina 120 megadalton yang rumit masih belum difahami sepenuhnya. Penyelidik di Institut Biofizik Max Planck dan lain-lain melaporkan model 70-megadalton perancah NPC manusia dengan membran eksplisit dan pelbagai keadaan konformasi.

Mereka menggabungkan ramalan struktur berasaskan AI dengan tomografi cryo-elektron in situ dan selular, pemodelan komprehensif. Keputusan menunjukkan bahawa nukleoporin penyesuai menyusun perancah di dalam dan di antara subkompleks untuk membina struktur tertib lebih tinggi. Simulasi dinamik molekul sepanjang mikrosaat menunjukkan bahawa perancah tidak perlu menstabilkan gabungan membran nuklear dalam dan luar, tetapi sebaliknya membesarkan liang pusat. Mereka menggambarkan bagaimana pemodelan berasaskan AI boleh digabungkan dengan biologi struktur in situ untuk memahami struktur subselular merentas peringkat organisasi spatial.

Model 70 megadalton bagi seni bina perancah NPC manusia.

Kertas 4: "Struktur cincin sitoplasma kompleks liang nuklear Xenopus laevis"​

​Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

West Lake University dan Tsinghua Universiti Pembinaan semula mikroskopi cryo-elektron zarah tunggal subunit cincin sitoplasma Xenopus laevis NPC pada resolusi 3.7-4.7 angstrom. Daripada jumlah ini, struktur domain terminal amino Nup358 telah diselesaikan kepada 3.0 Å, yang memudahkan pengenalpastian lima molekul Nup358 dalam setiap subunit cincin sitoplasma.

Model akhir penyelidik bagi subunit cincin sitoplasma termasuk lima Nup358, dua Nup205 dan dua molekul Nup93, serta dua kompleks Y yang dicirikan sebelum ini. Serpihan terminal karboksil Nup160 berfungsi sebagai pusat penganjuran untuk puncak setiap kompleks Y. Analisis struktur mendedahkan bagaimana Nup93, Nup205, dan Nup358 mempromosikan dan meningkatkan pemasangan perancah cincin sitoplasma yang dibentuk terutamanya oleh dua lapisan kompleks Y. Struktur Cryo-EM cincin sitoplasma dwilapisan Xenopus laevis NPC.

Kertas 5: "Struktur cincin sitoplasma kompleks liang nuklear oleh cryo-EM dan AlphaFold integratif"​

​

Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326

Penyelidik dari Sekolah Perubatan Harvard dan institusi lain menggunakan mikroskopi cryo-elektron zarah tunggal dan ramalan AlphaFold untuk menentukan struktur cincin sitoplasma NPC yang hampir lengkap daripada oosit Xenopus laevis. Secara khusus, mereka menggunakan AlphaFold untuk meramalkan struktur nukleoporin dan menyesuaikan peta resolusi sederhana menggunakan ketumpatan struktur sekunder yang menonjol sebagai panduan.

Selain itu, interaksi molekul tertentu telah diwujudkan lagi atau disahkan melalui ramalan kompleks menggunakan AlphaFold. Para penyelidik mengenal pasti lima mod pengikatan untuk Nup358, subunit NPC terbesar dengan ulangan Phe-Gly untuk pengangkutan. Mereka meramalkan bahawa Nup358 mengandungi domain gegelung bergelung yang menyediakan aktiviti yang membantunya berfungsi sebagai pusat nukleasi untuk pembentukan NPC dalam keadaan tertentu.

Struktur Cryo-EM bagi gelung sitoplasma NPC Xenopus.

Atas ialah kandungan terperinci Shi Yigong dan pasukan lain muncul di muka depan Sains: AI dan mikroskop cryo-elektron mendedahkan struktur NPC "tahap atom", satu kejayaan dalam sains hayat. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!