照亮核孔复合物中的“黑洞”

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核孔复合物（Nuclear pore complex, NPC）是生物大分子进行核质运输的唯一通道，是真核细胞中最复杂的超分子复合物之一。研究人员对解析核孔复合物的三维结构、动态和功能十分着迷。核孔中心通道充满了许多固有无序蛋白(Intrinsically disordered protein, IDP)，是构成核传输机制的真正组件。然而，由于这些蛋白具有高度动态性，核孔的中心区域一直以来被简单地表示为一个“黑洞”。

2023年4月26日，德国美因茨大学(Mainz University)、美因茨分子生物学研究所(IMB Mainz)和马克斯普朗克生物物理研究所(Max Planck Institute for Biophysics)的科学家团队在Nature在线发表了Visualizing the disordered nuclear transport machinery in situ的研究论文。该研究揭示了活细胞中核孔复合物中心的固有无序蛋白如何形成动态屏障、调控核孔分子运输，填补了我们对无序核孔蛋白原位实时动态及功能理解的空白。

哺乳动物核孔复合体分子质量大约为 120 MDa。近年来，核孔复合物支架蛋白的三维结构已被逐步解析（Science | 揭开“圣杯”面纱：Hoelz团队两文解析核孔复合物多个精细构象；Science丨揭开“圣杯”面纱：施一公团队揭示核孔复合物胞质环的高分辨率冷冻电镜结构）。然而，位于核孔复合物中心通道的数百个固有无序蛋白的形态却一直是个谜团。这些蛋白被称FG核孔蛋白(FG-Nup), 分子质量约为50 MDa。由于FG核孔蛋白在生理条件下无法折叠成稳定或有序三维结构，具有局部移动性和高动态性的特点，常用的生物物理技术手段往往无法检测其动态作用，尤其是在活细胞内——生物过程发生的真实环境中。

研究人员通过使用合成生物学方法，利用基因编码扩展技术对具有化学官能基团的非天然氨基酸进行蛋白编码，将其定点插入生物活体内的目的核孔蛋白并用有机染料标记。这是目前活细胞单分子蛋白荧光成像领域内精度最高（单个氨基酸精度）、对被标记蛋白的构象与功能侵入性最小的标记方法之一。

图1. 利用基因编码扩展技术对活细胞中无序核孔蛋白进行标记。

利用荧光寿命成像显微镜，研究人员解析了活细胞核孔复合物中FG-NUP98 的动态构象，并发现其拉伸的动态构象符合Flory理论的良溶剂环境中的聚合物形态。研究人员还发现，无序核孔蛋白在细胞核孔内的动态构象与体外重构系统中的完全不同，这也强调了在细胞中对固有无序蛋白进行原位动态检测的重要性。通过将荧光成像与分子动力学模拟相结合，研究人员成功描绘了核孔复合物中心的动态蛋白网络，并阐释了核孔蛋白的运输机理。

图2. 结合荧光寿命成像显微镜与分子动力学模拟，研究人员解析了活细胞核孔复合物中FG-NUP98 的动态构象，并描绘了核孔复合物中心的动态蛋白网络。

固有无序蛋白在神经退行性疾病、基因调控、信号传导、病毒感染等方面具有重要的作用，然而这些蛋白在活细胞内生理与病理条件下的本质机理仍是谜团，该研究团队所开发的方法将为未来研究这些无序蛋白的动态与功能提供重要的技术手段。

该研究论文德国美因茨大学玛丽居里研究员于淼博士为第一作者，Edward Lemke教授（美因茨大学合成生物物理学教授兼美因茨分子生物学研究所兼职主任）和 Gerhard Hummer教授（马克斯普朗克生物物理研究所所长）为共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05990-0