Nature | 线粒体与核孔复合体直接互作：细胞核能量稳态调控的新机制

撰文 | 阿童木

线粒体不仅是细胞内合成ATP的“能量工厂”，也是参与代谢调控、钙信号、氧化还原稳态和细胞命运决定的重要平台。过去几十年研究发现，线粒体并非孤立存在，而是通过膜接触位点与内质网、溶酶体、过氧化物酶体和脂滴等细胞器发生物质与信号交换【1，2】。例如，线粒体-内质网接触可介导磷脂转运、钙离子流动和活性氧产生，从而协调细胞代谢与应激反应。

相比之下，线粒体与细胞核之间的直接联系了解较少。传统观点认为，两者主要通过“远距离通讯”协调核基因表达与线粒体功能；但越来越多证据表明，线粒体也可在特定条件下靠近甚至接触细胞核。例如，缺氧或凋亡刺激可诱导线粒体在核周聚集，癌细胞中也观察到线粒体-细胞核接触参与促存活信号传递。此外，线粒体还可能通过影响丙酮酸脱氢酶复合物入核，调控组蛋白乙酰化和基因表达【3】。这些发现提示，线粒体-细胞核接触可能为核内高耗能过程提供局部代谢支持，并影响染色质状态和基因表达调控。

然而，一个关键问题仍未解决：ATP等高能磷酸分子如何跨越核膜进入细胞核。核孔复合体是连接细胞质与细胞核的主要通道，由30多种核孔蛋白组成，负责RNA和蛋白质的核质运输【4】。其细胞质侧含有丝状结构，RANBP2/NUP358是其中的重要组成成分，并参与有丝分裂、SUMO化调控和蛋白质稳态。由此推测，核孔复合体或许不仅是传统意义上的运输门户，也可能参与线粒体与细胞核之间的空间组织和能量传递。

近日，亚利桑那大学Hesham A. Sadek实验室等在Nature杂志发表题为Mitochondria directly interact with the nuclear pore complex的研究论文，发现线粒体并非只是通过信号分子“远程”影响细胞核，而是能够通过线粒体外膜蛋白VDAC1与核孔蛋白RANBP2形成直接物理连接，为高能磷酸化合物向细胞核的局部传递提供结构基础，从而维持核内能量稳态、转录调控和细胞分化过程。

作者首先利用共聚焦显微镜、超分辨率显微镜和透射电镜等多种成像技术，在10T1/2细胞和心脏组织中观察到部分线粒体与核膜外层紧密关联，并发现线粒体通过电子密度较高的丝状结构与核孔复合体直接接触。对核孔蛋白NUP107和RANBP2的染色进一步证实了这一物理接触。跨组织比较表明，这种关联在心脏、大脑和小肠中均存在，提示这是一种跨组织保守的结构特征。

为了验证这一现象并寻找潜在连接因子，作者从纯化线粒体出发开展蛋白质组学分析。BN-PAGE联合质谱检测发现，多种核孔复合体组分能够在线粒体样品中被检出，其中位于核孔细胞质侧丝状结构的相关蛋白尤为丰富。在呼吸链功能受损的细胞中，核孔复合体相关蛋白特别是RANBP2的检出量明显下降，提示线粒体呼吸链功能状态可能影响线粒体与核孔复合体之间的关联。

随后，作者将目光聚焦于脊椎动物中高度保守的RANBP2的C端结构域（CTD）。采用GST pull-down和BioID邻近标记两种独立策略筛选其相互作用蛋白后，发现线粒体外膜蛋白VDAC1在两种筛选体系中均被稳定识别为最显著候选分子。进一步的免疫荧光和邻近连接实验表明，VDAC1与RANBP2在核孔附近共定位，并形成稳定相互作用；而在Ranbp2缺失细胞中，这种相互作用信号几乎完全消失。值得注意的是，尽管VDAC3与VDAC1丰度相近，但仅有VDAC1能够被RANBP2特异性识别，提示这一结合具有明确的亚型特异性。

为了理解两者结合的分子基础，作者利用AlphaFold进行了结构预测，发现RANBP2-CTD与VDAC1可在VDAC1细胞质表面形成稳定结合界面，关键残基分别位于RANBP2的F2977-D2978和VDAC1的E50-T51-T52区域。突变其中任一结合位点均显著削弱两者之间的相互作用。序列分析进一步发现，这一关键区域存在于VDAC1而不存在于VDAC3中，从而解释了两者结合的特异性。相关免疫共沉淀实验进一步证实，VDAC1的ETT基序和RANBP2-CTD中的FD位点对于两者相互作用至关重要。

接下来，作者构建了RANBP2敲除（RKO）细胞，探究这一接触结构的生理功能。定量分析显示，RKO细胞以及VDAC1缺失细胞中的线粒体-细胞核接触显著减少，表明RANBP2-VDAC1相互作用是锚定线粒体于核孔的关键。利用核内ATP荧光传感器检测发现，RKO细胞核内ATP水平明显下降。生物物理模型进一步预测，当线粒体由靠近核孔的锚定状态移动至远离核孔的位置时，核孔附近ATP浓度可下降约90%。

与此同时，作者发现RKO细胞核内磷酸肌酸含量持续降低，而细胞质中磷酸肌酸则出现积累。由于细胞中同时存在线粒体型和核内肌酸激酶系统，这一结果支持磷酸肌酸参与线粒体与细胞核之间能量转运的模型。核内能量供应受限进一步导致细胞增殖速度下降以及G1/S期转换受阻。此外，无论是EGF刺激还是缺氧处理所诱导的线粒体核周聚集，在RKO细胞中均明显受损，提示RANBP2-VDAC1相互作用不仅维持接触位点稳定，也参与线粒体向核周区域的募集过程。

为评估核内能量缺陷的后果，作者进一步开展磷酸化蛋白质组学、RNA-seq和ATAC-seq分析。结果显示，RKO细胞核内总体磷酸化水平显著下降，而激酶表达基本不变，提示缺陷主要源于能量供应不足。与此同时，大量与DNA复制、染色质调控和细胞分化相关通路受到抑制，启动子区域染色质可及性下降，多种发育相关转录因子网络发生重塑。功能实验进一步证实，RKO细胞向肌管和脂肪细胞分化的能力明显受损。值得注意的是，细胞整体代谢水平和代谢流并未发生显著变化，表明这种能量缺陷主要局限于细胞核区域。在人诱导多能干细胞模型中，无论是破坏VDAC1关键结合位点，还是截短RANBP2的CTD结构域，都会导致核内磷酸肌酸水平下降，并显著削弱心肌细胞分化能力。与此同时，RANBP2的其他已知功能基本不受影响，说明这些表型主要来源于线粒体-核孔复合体接触的丧失，而非RANBP2整体功能缺陷。这些结果支持线粒体通过VDAC1-RANBP2-CTD锚定促进高能磷酸分子向细胞核局部供应，进而维持核内磷酸化反应、染色质动态变化和细胞分化过程的模型。

为了评估这一机制在体内的重要性，研究团队构建了RANBP2 C端截短（RANBP2ΔCTD）小鼠模型。结果发现，纯合突变胚胎在发育早期即发生致死。透射电镜显示，突变胚胎中线粒体与核孔复合体之间的距离明显增加。进一步组织学分析发现，突变胚胎存在心室壁变薄、神经管闭合异常等显著发育缺陷。心脏组织中虽然增殖细胞增加，但心肌细胞体积减小、组织发育滞后；神经系统中神经元分化同样受到抑制。综合分析表明，RANBP2-CTD介导的线粒体-核孔复合体连接对于细胞退出祖细胞状态并完成正常分化至关重要，其缺失将导致细胞周期调控与分化程序发生异常，最终造成发育延迟和胚胎致死。

综上所述，本研究鉴定出由线粒体外膜蛋白VDAC1和核孔复合体组分RANBP2构成的新型细胞器接触位点，揭示了线粒体与细胞核之间存在直接物理连接。该结构通过维持核周高能磷酸分子的局部供应，支持核内磷酸化反应、染色质动态变化以及细胞分化过程。研究不仅扩展了人们对细胞器接触位点网络的认识，也提示核孔复合体除了作为核质运输通道外，还可能承担细胞核能量代谢枢纽的功能，为理解细胞命运决定和组织发育提供了新的视角。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10588-3

制版人： 十一

参考文献

1. Copeland, D. E. & Dalton, A. J. An association between mitochondria and the endoplasmic reticulum in cells of the pseudobranch gland of a teleost.J. Biophys. Biochem. Cytol.5, 393–396 (1959).

2. Wong, Y. C., Ysselstein, D. & Krainc, D. Mitochondria-lysosome contacts regulate mitochondrial fission via RAB7 GTP hydrolysis.Nature554, 382–386 (2018).

3. Quiros, P. M., Mottis, A. & Auwerx, J. Mitonuclear communication in homeostasis and stress.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.17, 213–226 (2016).

4. Wente, S. R. & Rout, M. P. The nuclear pore complex and nuclear transport.Cold Spring Harb. Perspect. Biol.2, a000562 (2010).

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