Cell | 小GTP酶Ran决定核孔复合体的不对称性

撰文 |章台柳

真核细胞利用核孔复合体（NPCs）介导并调控跨核膜（NE）的核质运输。核孔复合物是由30多种核孔蛋白（Nups）的多个拷贝组成的分子量约为60-120MDa的大分子复合体。这些核孔蛋白形成生化性质稳定的亚复合体，在内、外核膜融合位点组装成具有8重对称性的空心圆柱状结构。利用冷冻电子断层扫描（cryo-ET）和整合建模技术，进一步揭示出核孔复合物的结构模型。结构化的支架是更具柔性区域的锚定点，比如核孔蛋白中本征无序的苯丙氨酸-甘氨酸（FG）结构域，这些结构域使物质能够通过核孔复合体的中央通道进行选择性运输。小GTP酶Ran在细胞质和细胞核中的核苷酸状态差异，则促进了跨核孔复合体的主动运输的方向性【1】。

NPC在孔膜上的结构化支架由三个堆叠的环组成：胞质环、内环和核环。定位在核膜中的单个核孔蛋白（Nup）环形排列形成腔环，该核孔蛋白通过跨膜结构域与内环相连。该腔环和内环在核膜平面上呈对称分布，而不同的外环（核环和胞质环）则附着于膜两侧的内环上。在两个外环中，Y复合体（也称为Nup107-160 复合体）形成靠近内环的环形亚结构，这些亚结构由不同区室特异性的外周成分组成。在胞质环中，这些成分包括进化上保守的mRNA输出平台（后生动物中的Nup214亚复合体和酵母中的Nup159亚复合体），以及后生动物特异性的Nup358/RanBP2。在核环中，后生动物中包括ELYSS/Mel28、TPR（果蝇中的Mgtor）、Nup153、Nup50和ZC3HC1，以及酵母中的Mlp1、Mlp2、Nup1、Nup60、Nup2和Pml39p等外周核孔蛋白，它们形成核特异性结构，如核篮。核孔复合体在组成上的不对称性已被广泛记录，并且已知对诸如mRNA输出、定向蛋白质运输或基因组组织等细胞功能至关重要。然而，目前仍不清楚这种不对称性是如何在核心支架的基础对称结构上建立起来的。核孔复合体（NPCs）是否可能以一种跨核膜（NE）平面对称的构型存在，目前也不清楚。

2025年8月18日，来自德国马克斯·普朗克生物物理研究所的Bernhard Hampoelz和Martin Beck团队合作在Cell杂志上发表文章The small GTPase Ran defines nuclear pore complex asymmetry，利用冷冻电子断层扫描、子断层扫描平均、活细胞成像技术等在黑腹果蝇和酿酒酵母中解析了三种核孔复合物——胞质核孔复合体（cNPCs）、核质核孔复合物（nNPCs）和核膜的核孔复合物（NE-NPCs）的结构。证明了核孔复合物的核心支架可以在外围核孔蛋白呈对称构型的情况下形成，即存在跨膜平面对称的构型。而且，核孔复合物可根据亚细胞环境调整其外围构型，其中小GTP酶Ran起调控作用，表明核孔复合物的组成会动态适应周围环境，从而确保核膜内的核孔复合物具有正确的不对称结构。

据报道，在快速分裂的细胞中，胞质核孔复合体（cNPCs）存在于被称为环层板（AL）的特化内质网（ER）片层中，而核质核孔复合体（nNPCs）存在于核质内的膜结构中。AL在果蝇合胞体囊胚胚胎中大量存在，在细胞化前的快速间期内插入核膜。在环层板上发现了核孔复合体对称核心支架的核孔蛋白（Nups）以及胞质成分 Nup358，但未发现外周核核孔蛋白。然而，环层板上的cNPCs是否为对称结构仍不清楚。研究人员首先对表达荧光蛋白的转基因果蝇品系的合胞体囊胚胚胎进行活细胞成像分析，分析三种NPCs的组成。结果显示，果蝇中的核孔复合体根据其亚细胞定位呈现不同组成：核膜核孔复合体（NE-NPCs）同时含有两组外周核孔蛋白，而胞质核孔复合体（cNPCs）和核质核孔复合体（nNPCs）两侧暴露于同一区室，分别仅与胞质或核外周核孔蛋白相关联。这表明 cNPCs 和 nNPCs 仅含有与区室适配的一组外周核孔蛋白，但仍不清楚由此形成的核孔复合体是仅在一侧含有外周核孔蛋白，还是在两侧都有，从而构成对称或不对称结构。对NPCs中核心和外周核孔蛋白的相对丰度进行量化分析，初步显示cNPCs是对称结构，具有两个胞质环。

随后，研究人员解析了果蝇中三种NPCs的结构。对比分析昆虫果蝇和脊椎动物的核膜核孔复合体（NE-NPCs），发现两者在结构上相似，包括了不对称结合的核孔蛋白亚复合体。对胞质核孔复合体（cNPCs）的结构分析显示，cNPCs嵌入细胞质膜片层中。这些膜片层可与外层核膜连续，且带有核糖体，表明这些膜属于内质网（ER）。胞质核孔复合体的核心支架架构与核膜核孔复合体（NE - NPCs）的相似，包括内环（IR）、腔环和两个外环。胞质核孔复合体的两个外环平均重现了典型核膜核孔复合体的胞质环架构，表明存在mRNA输出平台和细胞质丝的密度。在胞质核孔复合体外环的平均结构中，既没有核特异性的ELYSS，也没有核篮。即胞质核孔复合体（cNPCs）由一个内环（IR）和两个胞质环（CRs）组成，且在核膜平面上是对称的。对果蝇和酿酒酵母的nNPCs的结构进行分析，核心支架完整，与NE-NPCs相似，由内环、腔环和两个外环组成。但nNPCs中不存在mRNA输出平台，且跨膜平面的对称性与两个核环一致。这表明对称的核孔复合体存在于进化上相距甚远的物种中，跨越不同的亚细胞区室。因此，核孔复合体核心能够适应外周核孔蛋白的对称和不对称结合，且核孔复合体的组成由周围的细胞环境调控，而非结构本身固有。

为了探究可能调控核孔复合体对称性的潜在机制，研究人员探究了小GTP酶——Ran是否参与其中。核膜确保在核质中生成的RanGTP与在细胞质中生成的RanGDP之间形成鲜明边界。因此，核侧和胞质侧的外环暴露于不同Ran 环境中。相比之下，对称的核孔复合体（如核膜外的核孔复合体）要么完全被核质中的RanGTP包围，要么完全被细胞质中的RanGDP包围。因此，合理推测相应的Ran环境可以调控核孔复合体的不对称性。在这种情况下，干扰Ran的核苷酸状态应会影响外周核孔蛋白在核孔复合体上的分布。结果显示，在细胞质中模拟核内RanGTP环境，会减少外周胞质核孔蛋白（Nups）与核孔复合体（NPCs）的结合，同时促进外周核核孔蛋白的结合。这表明，Ran的核苷酸状态决定了哪一组外周核孔蛋白与对称的核孔复合体核心相结合。

总的来说，研究发现了核膜上的核孔复合体是不对称结构，而细胞质膜或核膜中的核孔复合体则是对称的。核孔复合体的对称性以及外周核孔蛋白的组成取决于周围的细胞环境和小GTP酶Ran的核苷酸状态。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.025

制版人： 十一

参考文献

1. Go ̈ rlich, D., and Kutay, U. (1999). Transport between the cell nucleus and the cytoplasm.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.15 , 607–660.

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