每个细胞核都含有有机体的全部基因组,而镶嵌在核膜上的核孔复合体(NPCs)则是进出核区通道分子的“门卫”,可以选择性的输入和输出各种物质。美国洛克菲勒大学研究人员首次分析了NPC亚复合体Nup80的完整三维结构,并向拼合NPC 的结构迈出重要的一步。研究结果在线发表在6 月7 日Nature Structural & Molecular Biology杂志上。
本研究是由美国洛克菲勒大学细胞生物学实验室Günter Blobel教授的研究生Martin Kampmann完成的,他补充了NPC和在细胞内不同部位间物质运输的主要工具——有被小泡的认识。早在1980 年,Blobel教授就提出了细胞内膜系统的概念,细胞内膜系统包括膜围绕的细胞核和小泡,它是由细胞外膜经过折叠内陷形成的。而来自洛克菲勒大学的Brian Chait和Michael Rout教授则在2004年PLoS Biology上发表的一篇文章中提出,具有相似蛋白质折叠结构的NPC和有被小泡都是由初生内膜的原始膜包被蛋白逐渐发展形成的。
此前研究人员仍不清楚这些原始的折叠在NPCs中是如何作用的,当前研究中则发现由α螺旋形成灵活的长臂与更紧密的球形β螺旋相绞连。同样的构造在组成有被小泡的网格蛋白中也有发现。
完整的NPC分子量很大,由30 种蛋白质组成。研究人员分离纯化了NPC中最重要的组分——Nup80复合体,后者是由7 个蛋白质分子组成的。利用电子显微镜(EM)对不同状态或不同构造的Nup84复合体拍摄了上千张照片,结果显示Nup84复合体在不同大小的分子通过NPC的运输过程中具有扩张和收缩的功能和形态。通过计算分析,研究人员首次重构了Nup84复合体的三维结构模型。基于前期Blobel 实验室利用X-射线晶体学对Nup84复合体中每种蛋白质原子组成结构的精确分析,Kampmann将这些蛋白质对应到EM结构的相应位置。
NPC的体积很大且结构松散,因此不能利用X-射线晶体学研究完整的分子结构。电子显微镜(EM)对其三维结构的研究有助于解决这一问题。Kampmann将电子显微镜方法应用于对其他亚单位的研究,以期揭开分子生物学中最神秘机制的面纱。
由于NPC在细胞最基本的生理过程中具有重要作用,所以NPC的组装、结构和功能的任何缺陷都可能引起致命的后果。例如,NPC的组成蛋白与病毒感染、原发性胆汁肝硬化及癌症肿瘤的发生有关。对NPC功能和机理的了解将有助于找到治疗这些疾病的方法,同时,揭示它的进化策略将有助于在细胞中发现基因保护性结构。(生物谷Bioon.com)
生物谷推荐原始出处:
Nature Structural & Molecular Biology , (2009) 7 June 2009 doi:10.1038/nsmb.1618
Three-dimensional structure and flexibility of a membrane-coating module of the nuclear pore complex
Martin Kampmann1 & Günter Blobel1
Abstract
The nuclear pore complex mediates nucleocytoplasmic transport in all eukaryotes and is among the largest cellular assemblies of proteins, collectively known as nucleoporins. Nucleoporins are organized into distinct subcomplexes. We optimized the isolation of a putative membrane-coating subcomplex of the nuclear pore complex, the heptameric Nup84 complex, and analyzed its structure by EM. Our data confirmed the previously reported 'Y' shape. We discerned additional structural details, including specific hinge regions at which the particle shows great flexibility. We determined the three-dimensional structures of two conformers, mapped the localization of two nucleoporins within the subcomplex and docked known crystal structures into the EM maps. The free ends of the Y-shaped particle are formed by -propellers; the connecting segments consist of -solenoids. Notably, the same organizational principle is found in the clathrin triskelion, which may share a common evolutionary origin with the heptameric complex.
1 Laboratory of Cell Biology, Howard Hughes Medical Institute, The Rockefeller University, New York, New York, USA.