研究人員設計了一種方法來研究細胞內部狀結構
人體核孔復合體模型描繪了構成孔的三個環的主要蛋白質。從上到下：細胞質環為藍色和黃色；內環為橙色和粉紅色；核質環是淺藍色和金色。信用：安東尼舒勒
研究人員通過直接在細胞內研究一種稱為核孔復合體的結構，獲得了更完整的圖像。
上下文很重要。對于生命的許多方面都是如此，包括在我們細胞內執行重要功能的微小分子機器。
科學家經常純化細胞成分，例如蛋白質或細胞器，以便單獨檢查它們。然而，2021 年 10 月 13 日發表在《自然》雜志上的一項新研究表明，這種做法可以徹底改變相關組件。
研究人員設計了一種方法來研究直接在細胞內部稱為核孔復合體 (NPC) 的大型甜甜圈狀結構。他們的結果表明，該孔的尺寸比以前認為的要大，強調了在其原生環境中分析復雜分子的重要性。
“我們已經證明，細胞環境對像 NPC 這樣的大型結構有重大影響，這是我們剛開始時沒有預料到的，”麻省理工學院Boris Magasanik 生物學教授、該研究的合作伙伴 Thomas Schwartz 說。資深作者。“科學家們普遍認為大分子足夠穩定，可以在細胞內外保持其基本特性，但我們的研究結果推翻了這一假設。”
在人類和動物等真核生物中，細胞的大部分DNA都儲存在稱為細胞核的圓形結構中。這個細胞器被核膜保護著，核膜是一種保護屏障，將細胞核中的遺傳物質與填充細胞其余部分的濃稠液體隔開。但是分子仍然需要一種進出細胞核的方法，以促進包括基因表達在內的重要過程。這就是 NPC 的用武之地。數百個（有時數千個）這些孔嵌入核膜中，形成允許某些分子通過的通道。
該研究的第一作者、前麻省理工學院博士后 Anthony Schuller 將 NPC 與體育場的大門進行了比較。“如果你想進入里面的游戲，你必須出示你的票并通過其中一個大門，”他解釋道。
CR = 細胞質環
IR = 內環
NR = 核質環
NPC 按照人類標準可能很小，但它是細胞中最大的結構之一。它由大約 500 種蛋白質組成，這使其結構難以解析。傳統上，科學家們將其分解為單獨的組件，然后使用一種稱為 X 射線晶體學的方法對其進行零碎研究。根據 Schwartz 的說法，在更自然的環境中分析 NPC 所需的技術直到最近才出現。
Schuller 和 Schwartz 與蘇黎世大學的研究人員一起采用了兩種尖端方法來解決孔隙結構：低溫聚焦離子束 (cryo-FIB) 銑削和低溫電子斷層掃描 (cryo-ET)。
整個細胞太厚而無法在電子顯微鏡下觀察。但研究人員使用位于 MIT.nano 自動低溫電子顯微鏡中心和科赫綜合癌癥研究所彼得森 (1957) 納米技術材料核心設施的低溫 FIB 設備將冷凍結腸細胞切成薄層。在這樣做的過程中，該團隊捕獲了包括 NPC 在內的細胞的橫截面，而不是簡單地孤立地查看 NPC。
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“這種方法的驚人之處在于我們幾乎沒有操縱細胞，”施瓦茨說。“我們沒有擾亂細胞的內部結構。這就是革命。”
研究人員在查看顯微鏡圖像時所看到的與現有的 NPC 描述完全不同。他們驚訝地發現，形成孔隙中央通道的最里面的環狀結構比以前想象的要寬得多。當它留在自然環境中時，孔隙最大可達 57 納米——與之前的估計相比，體積增加了 75%。該團隊還能夠仔細研究 NPC 的各種組件如何協同工作來定義孔隙的尺寸和整體架構。
“我們已經證明細胞環境會影響 NPC 結構，但現在我們必須弄清楚如何以及為什么，”舒勒說。他補充說，并非所有蛋白質都可以純化，因此冷凍 ET 和冷凍 FIB 的組合也可用于檢查各種其他細胞成分。“這種雙重方法可以解鎖一切。”
德國亞琛工業大學生物化學教授 Wolfram Antonin 說：“這篇論文很好地說明了技術進步，在這種情況下，對冷凍聚焦離子束研磨的人體細胞進行冷凍電子斷層掃描，提供了細胞結構的新圖景。”沒有參與研究。NPC 中央運輸通道的直徑比以前認為的要大，這一事實暗示該孔隙可能具有令人印象深刻的結構靈活性。“這對于細胞適應增加的運輸需求可能很重要，”Antonin 解釋說。
接下來，舒勒和施瓦茨希望了解孔的大小如何影響哪些分子可以通過。例如，科學家們直到最近才確定該孔足夠大，可以讓完整的病毒（如 HIV）進入細胞核。同樣的原則也適用于醫學治療：只有具有特定特性的適當大小的藥物才能訪問細胞的 DNA。
Schwartz 特別想知道所有 NPC 是否生而平等，或者它們的結構是否因物種或細胞類型而異。
“我們一直在操縱細胞并將單個組件脫離其原生環境，”他說。“現在我們知道這種方法的后果可能比我們想象的要大得多。”
參考：
“細胞環境塑造了核孔復合體結構”，作者：Anthony P. Schuller、Matthias Wojtynek、David Mankus、Meltem Tatli、Rafael Kronenberg-Tenga、Saroj G. Regmi、Phat V. Dip、Abigail KR Lytton-Jean、Edward J. Brignole、Mary Dasso、Karsten Weis、Ohad Medalia 和 Thomas U. Schwartz，2021 年 10 月 13 日，《自然》。
DOI: 10.1038/s41586-021-03985-3