施一公等團隊登Science封面：AI與冷凍電子顯微鏡揭示「原子級」NPC結構，生命科學突破

在開始正文之前，我們先來看一張圖片，在下圖中，很明顯可以看出，圖的右半部所代表的資訊更加豐富，結構也更清晰。而左半部2016 年的圖，則結構較為單一，代表的資訊比較少：

其實上面展示的是核孔複合體（NPC）影像。核孔複合體，由約 1000 個蛋白質亞基組成，擔負著真核生物細胞核與細胞質之間繁忙的運輸大分子的任務，也是其連接胞質和細胞核的唯一雙向通道。除了協調運輸外，NPC 還組織必要的轉錄、mRNA 成熟、剪接體和核醣體組裝等重要生命活動。 NPC 強大的作用，已成為疾病突變和宿主 - 病原體相互作用的關鍵點。

得益於低解析度下全核孔結構以及高解析度下核孔組成結構技術的發展，細胞核孔受到越來越多的關注。然而，利用這些資訊正確組裝 30 多種不同蛋白質副本，並建立高解析度的三維結構，一直是一項艱鉅的挑戰。

今天，《Science》雜誌以封面專題形式發表了5 篇論文，其中3 篇論文共同揭開了人類核孔複合體的近原子分辨率冷凍電鏡結構，另外兩項研究透過非洲爪蟾呈現了脊椎動物核孔複合體的單顆粒冷凍電子顯微鏡影像。這篇封面文章將多項研究成果拼接在一起，形成的人類 NPC 影像接近原子級。

論文網址：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210

這項研究成果建立在多項研究之上，包括數十年的生物化學重建、X 射線晶體學、質譜學、誘變和細胞生物學等。使用大幅改進的冷凍電子斷層掃描重建人類 NPC，並以人工智慧技術精確建模組件。還有其他研究提高了單粒子冷凍電鏡的分辨率，使脊椎動物 NPC 的二級結構元素和殘基水平細節的可視化成為可能。分子組合豐富了我們對脊椎動物和人類 NPC 構建的理解——從舊的核支架到將各個部分連接在一起的連接蛋白，以及從核膜錨定到中央運輸通道上方的細胞質絲。

這裡報告的研究成果，代表了實驗結構生物學與人工智慧的合作共贏，是人類探索生物微觀世界的又一次勝利。另外，也證明了正在進行的分辨率革命，在我們尋求了解大分子組件的構造和設計原理方面，具有不可替代地作用。

下圖為2022 年人類核孔複合體的橫斷面視圖，新解析的成分包括對稱核心（橘色）和細胞質細絲（黃色）：

五篇研究論文

論文1：《Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore》

#論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

#核孔複合體（NPC）是核質轉運的唯一雙向通道。儘管最近在闡明 NPC 對稱核心結構方面取得了一些進展，但對於 mRNA 輸出和核孔蛋白相關疾病的熱點來說，不對稱分佈的細胞質表面仍然難以捉摸。

加州理工學院等機構的研究者報告了透過結合生化重建、晶體結構測定、冷凍電子斷層掃描重建和生理驗證而獲得的人類細胞質面的複合結構。雖然物種特異性基序在中央轉運通道上方錨定了一個進化上保守、約540 千道爾頓（kilodalton）異六聚體細胞質細絲核孔蛋白複合體，但NUP358 五聚體束的附著取決於外套核孔蛋白複合體的雙環排列。他們揭示的複合結構及其預測能力為闡明 mRNA 輸出和核孔蛋白疾病的分子基提供了豐富的基礎。

人類 NPC 的細胞質面。

論文2：《Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore》

#論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798

儘管人們已經可以確定NPC 對稱核心中結構化支架核孔蛋白的排列，但它們透過多價非結構化接頭核孔蛋白的內聚性仍然難以捉摸。

透過結合生化重建、高解析度結構測定、冷凍電子斷層掃描重建和生理驗證，加州理工學院的研究者闡明了進化上保守的接頭支架結構，產生了人類NPC 的約64 兆道爾頓（megadalton）對稱的近原子複合結構核。雖然接頭通常起剛性作用，但 NPC 的接頭支架為其中央轉運通道的可逆收縮和擴張以及橫向通道的出現提供了必要的可塑性和穩健性。他們的結果大大推進了 NPC 對稱核心的結構表徵，為未來的功能研究奠定了基礎。

#人類 NPC 對稱核心的接頭支架結構。

論文3：《AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores》

#論文網址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506

雖然核孔複合體（NPC）介導核質轉運，它們錯綜複雜的120 兆道爾頓架構仍未完全被了解。馬克斯 · 普朗克生物物理研究所等機構的研究者報告了具有顯式膜和多構象狀態的人類 NPC 支架的 70 兆道爾頓模型。

他們將基於 AI 的結構預測與原位和細胞冷凍電子斷層掃描、綜合建模相結合。結果表明，接頭核孔蛋白在亞複合體內和亞複合體之間組織支架，以建立高階結構。微秒長的分子動力學模擬表明，支架不需要穩定內外核膜融合，而是擴大中心孔。他們舉例解釋瞭如何將基於 AI 的建模與原位結構生物學相結合，以了解跨空間組織層級的亞細胞結構。

人類 NPC 支架架構的 70 兆道爾頓模型。

論文4：《Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex》

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論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

西湖大學和清華大學以3.7-4.7 埃（angstrom）的分辨率對非洲爪蟾NPC 的細胞質環亞基進行單粒子冷凍電子顯微鏡重建。其中，Nup358 的氨基末端域的結構被解析為 3.0 埃，這有助於識別每個細胞質環亞基中的五個 Nup358 分子。

研究者最終的細胞質環亞基模型包括五個 Nup358、兩個 Nup205 和兩個 Nup93 分子，以及兩個先前表徵的 Y 複合體。 Nup160 的羧基末端片段可作為每個 Y 複合體頂點的組織中心。結構分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促進和加強主要由兩層 Y 複合體形成的細胞質環支架的組裝。

#非洲爪蟾 NPC 雙層細胞質環的 Cryo-EM 結構。

論文5：《Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold》

#論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326

哈佛醫學院等機構的研究者使用單粒子冷凍電子顯微鏡和AlphaFold 預測，從非洲爪蟾卵母細胞中確定了近乎完整的NPC 細胞質環結構。具體地，他們使用 AlphaFold 預測核孔蛋白的結構，並使用突出的二級結構密度作為指導來適應中等分辨率的地圖。

此外，某些分子交互作用透過​​使用 AlphaFold 的複雜預測進一步建立或確認。研究者確定了五份 Nup358 的結合模式，它是最大的 NPC 亞基，具有用於轉運的 Phe-Gly 重複序列。他們預測 Nup358 包含一個捲曲螺旋結構域，可以提供活性以幫助它在一定條件下作為 NPC 形成的成核中心。

非洲爪蟾 NPC 細胞質環的 Cryo-EM 結構。

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