施一公等團隊登Science封面：AI與冷凍電鏡揭示「原子級」NPC結(jié)構(gòu)，生命科學突破

今日，《Science》雜志以封面專題的形式發(fā)表了 5 篇論文，共同展現(xiàn)了通過 AI 技術(shù)來揭示人類和非洲爪蟾的核孔復合體（NPC）結(jié)構(gòu)。

開始正文之前，我們先來看一張圖片，在下圖中，很明顯可以看出，圖的右半部分所代表的信息更加豐富，結(jié)構(gòu)也更清晰。而左半部分 2016 年的圖，則結(jié)構(gòu)較為單一，代表的信息比較少：

其實上面展示的是核孔復合體（NPC）圖像。核孔復合體，由約 1000 個蛋白質(zhì)亞基組成，擔負著真核生物細胞核與細胞質(zhì)之間繁忙的運輸大分子的任務，也是其連接胞質(zhì)和細胞核的唯一雙向通道。除了協(xié)調(diào)運輸外，NPC 還組織必要的轉(zhuǎn)錄、mRNA 成熟、剪接體和核糖體組裝等重要生命活動。NPC 強大的作用，已然成為疾病突變和宿主 - 病原體相互作用的關(guān)鍵點。
得益于低分辨率下全核孔結(jié)構(gòu)以及高分辨率下核孔組成結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，細胞核孔受到越來越多的關(guān)注。然而，利用這些信息正確組裝 30 多種不同蛋白質(zhì)副本，并構(gòu)建高分辨率的三維結(jié)構(gòu)，一直是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
今天，《Science》雜志以封面專題形式發(fā)表了 5 篇論文，其中 3 篇論文共同揭開了人類核孔復合體的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，另外兩項研究通過非洲爪蟾呈現(xiàn)了脊椎動物核孔復合體的單顆粒冷凍電鏡圖像。這篇封面文章將多項研究成果拼接在一起，形成的人類 NPC 圖像接近原子級。

論文地址：https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210
這一研究成果建立在多項研究之上，包括數(shù)十年的生物化學重建、X 射線晶體學、質(zhì)譜學、誘變和細胞生物學等。使用大幅度改進的冷凍電子斷層掃描重建人類 NPC，并用人工智能技術(shù)精確建模組件。還有其他研究提高了單粒子冷凍電鏡的分辨率，使脊椎動物 NPC 的二級結(jié)構(gòu)元素和殘基水平細節(jié)的可視化成為可能。分子組合豐富了我們對脊椎動物和人類 NPC 構(gòu)建的理解——從舊的核支架到將各個部分連接在一起的連接蛋白，以及從核膜錨定到中央運輸通道上方的細胞質(zhì)絲。
這里報告的研究成果，代表了實驗結(jié)構(gòu)生物學與人工智能的合作共贏，是人類探索生物微觀世界的又一次勝利。另外，也證明了正在進行的分辨率革命，在我們尋求了解大分子組件的構(gòu)造和設(shè)計原理方面，具有不可替代地作用。
下圖為 2022 年人類核孔復合體的橫截面視圖，新解析的成分包括對稱核心（橙色）和細胞質(zhì)細絲（黃色）：

五篇研究論文
論文 1：《Architecture of the cytoplasmic face of the nuclear pore》

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129
核孔復合體（NPC）是核質(zhì)轉(zhuǎn)運的唯一雙向通道。盡管最近在闡明 NPC 對稱核心結(jié)構(gòu)方面取得了一些進展，但對于 mRNA 輸出和核孔蛋白相關(guān)疾病的熱點來說，不對稱分布的細胞質(zhì)表面仍然難以捉摸。
加州理工學院等機構(gòu)的研究者報告了通過結(jié)合生化重建、晶體結(jié)構(gòu)測定、冷凍電子斷層掃描重建和生理驗證而獲得的人類細胞質(zhì)面的復合結(jié)構(gòu)。雖然物種特異性基序在中央轉(zhuǎn)運通道上方錨定了一個進化上保守、約 540 千道爾頓（kilodalton）異六聚體細胞質(zhì)細絲核孔蛋白復合體，但 NUP358 五聚體束的附著取決于外套核孔蛋白復合體的雙環(huán)排列。他們揭示的復合結(jié)構(gòu)及其預測能力為闡明 mRNA 輸出和核孔蛋白疾病的分子基提供了豐富的基礎(chǔ)。

人類 NPC 的細胞質(zhì)面。
論文 2：《Architecture of the linker-scaffold in the nuclear pore》

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798
盡管人們已經(jīng)可以確定 NPC 對稱核心中結(jié)構(gòu)化支架核孔蛋白的排列，但它們通過多價非結(jié)構(gòu)化接頭核孔蛋白的內(nèi)聚性仍然難以捉摸。
通過結(jié)合生化重建、高分辨率結(jié)構(gòu)測定、冷凍電子斷層掃描重建和生理驗證，加州理工學院的研究者闡明了進化上保守的接頭支架結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了人類 NPC 的約 64 兆道爾頓（megadalton）對稱的近原子復合結(jié)構(gòu)核。雖然接頭通常起剛性作用，但 NPC 的接頭支架為其中央轉(zhuǎn)運通道的可逆收縮和擴張以及橫向通道的出現(xiàn)提供了必要的可塑性和穩(wěn)健性。他們的結(jié)果大大推進了 NPC 對稱核心的結(jié)構(gòu)表征，為未來的功能研究打下了基礎(chǔ)。

人類 NPC 對稱核心的接頭支架結(jié)構(gòu)。
論文 3：《AI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores》

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506
雖然核孔復合體（NPC）介導核質(zhì)轉(zhuǎn)運，它們錯綜復雜的 120 兆道爾頓架構(gòu)仍未完全得到了解。馬克斯 · 普朗克生物物理研究所等機構(gòu)的研究者報告了具有顯式膜和多構(gòu)象狀態(tài)的人類 NPC 支架的 70 兆道爾頓模型。
他們將基于 AI 的結(jié)構(gòu)預測與原位和細胞冷凍電子斷層掃描、綜合建模相結(jié)合。結(jié)果表明，接頭核孔蛋白在亞復合體內(nèi)和亞復合體之間組織支架，以建立高階結(jié)構(gòu)。微秒長的分子動力學模擬表明，支架不需要穩(wěn)定內(nèi)外核膜融合，而是擴大中心孔。他們舉例闡釋了如何將基于 AI 的建模與原位結(jié)構(gòu)生物學相結(jié)合，以了解跨空間組織級別的亞細胞結(jié)構(gòu)。

人類 NPC 支架架構(gòu)的 70 兆道爾頓模型。
論文 4：《Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex》

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280
西湖大學和清華大學以 3.7-4.7 埃（angstrom）的分辨率對非洲爪蟾 NPC 的細胞質(zhì)環(huán)亞基進行單粒子冷凍電子顯微鏡重建。其中，Nup358 的氨基末端域的結(jié)構(gòu)被解析為 3.0 埃，這有助于識別每個細胞質(zhì)環(huán)亞基中的五個 Nup358 分子。
研究者最終的細胞質(zhì)環(huán)亞基模型包括五個 Nup358、兩個 Nup205 和兩個 Nup93 分子，以及兩個先前表征的 Y 復合體。Nup160 的羧基末端片段充當每個 Y 復合體頂點的組織中心。結(jié)構(gòu)分析揭示了 Nup93、Nup205 和 Nup358 如何促進和加強主要由兩層 Y 復合體形成的細胞質(zhì)環(huán)支架的組裝。

非洲爪蟾 NPC 雙層細胞質(zhì)環(huán)的 Cryo-EM 結(jié)構(gòu)。
論文 5：《Structure of cytoplasmic ring of nuclear pore complex by integrative cryo-EM and AlphaFold》

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326
哈佛醫(yī)學院等機構(gòu)的研究者使用單粒子冷凍電子顯微鏡和 AlphaFold 預測，從非洲爪蟾卵母細胞中確定了近乎完整的 NPC 細胞質(zhì)環(huán)結(jié)構(gòu)。具體地，他們使用 AlphaFold 預測核孔蛋白的結(jié)構(gòu)，并使用突出的二級結(jié)構(gòu)密度作為指導來適應中等分辨率的地圖。
此外，某些分子相互作用通過使用 AlphaFold 的復雜預測進一步得到建立或確認。研究者確定了五份 Nup358 的結(jié)合模式，它是最大的 NPC 亞基，具有用于轉(zhuǎn)運的 Phe-Gly 重復序列。他們預測 Nup358 包含一個卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域，可以提供活性以幫助它在一定條件下作為 NPC 形成的成核中心。

非洲爪蟾 NPC 細胞質(zhì)環(huán)的 Cryo-EM 結(jié)構(gòu)。