研究人员设计了一种方法来研究细胞内部状结构
人体核孔复合体模型描绘了构成孔的三个环的主要蛋白质。从上到下：细胞质环为蓝色和黄色；内环为橙色和粉红色；核质环是浅蓝色和金色。信用：安东尼舒勒
研究人员通过直接在细胞内研究一种称为核孔复合体的结构，获得了更完整的图像。
上下文很重要。对于生命的许多方面都是如此，包括在我们细胞内执行重要功能的微小分子机器。
科学家经常纯化细胞成分，例如蛋白质或细胞器，以便单独检查它们。然而，2021 年 10 月 13 日发表在《自然》杂志上的一项新研究表明，这种做法可以彻底改变相关组件。
研究人员设计了一种方法来研究直接在细胞内部称为核孔复合体 (NPC) 的大型甜甜圈状结构。他们的结果表明，该孔的尺寸比以前认为的要大，强调了在其原生环境中分析复杂分子的重要性。
“我们已经证明，细胞环境对像 NPC 这样的大型结构有重大影响，这是我们刚开始时没有预料到的，”麻省理工学院Boris Magasanik 生物学教授、该研究的合作伙伴 Thomas Schwartz 说。资深作者。“科学家们普遍认为大分子足够稳定，可以在细胞内外保持其基本特性，但我们的研究结果推翻了这一假设。”
在人类和动物等真核生物中，细胞的大部分DNA都储存在称为细胞核的圆形结构中。这个细胞器被核膜保护着，核膜是一种保护屏障，将细胞核中的遗传物质与填充细胞其余部分的浓稠液体隔开。但是分子仍然需要一种进出细胞核的方法，以促进包括基因表达在内的重要过程。这就是 NPC 的用武之地。数百个（有时数千个）这些孔嵌入核膜中，形成允许某些分子通过的通道。
该研究的第一作者、前麻省理工学院博士后 Anthony Schuller 将 NPC 与体育场的大门进行了比较。“如果你想进入里面的游戏，你必须出示你的票并通过其中一个大门，”他解释道。
CR = 细胞质环
IR = 内环
NR = 核质环
NPC 按照人类标准可能很小，但它是细胞中最大的结构之一。它由大约 500 种蛋白质组成，这使其结构难以解析。传统上，科学家们将其分解为单独的组件，然后使用一种称为 X 射线晶体学的方法对其进行零碎研究。根据 Schwartz 的说法，在更自然的环境中分析 NPC 所需的技术直到最近才出现。
Schuller 和 Schwartz 与苏黎世大学的研究人员一起采用了两种尖端方法来解决孔隙结构：低温聚焦离子束 (cryo-FIB) 铣削和低温电子断层扫描 (cryo-ET)。
整个细胞太厚而无法在电子显微镜下观察。但研究人员使用位于 MIT.nano 自动低温电子显微镜中心和科赫综合癌症研究所彼得森 (1957) 纳米技术材料核心设施的低温 FIB 设备将冷冻结肠细胞切成薄层。在这样做的过程中，该团队捕获了包括 NPC 在内的细胞的横截面，而不是简单地孤立地查看 NPC。
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“这种方法的惊人之处在于我们几乎没有操纵细胞，”施瓦茨说。“我们没有扰乱细胞的内部结构。这就是革命。”
研究人员在查看显微镜图像时所看到的与现有的 NPC 描述完全不同。他们惊讶地发现，形成孔隙中央通道的最里面的环状结构比以前想象的要宽得多。当它留在自然环境中时，孔隙最大可达 57 纳米——与之前的估计相比，体积增加了 75%。该团队还能够仔细研究 NPC 的各种组件如何协同工作来定义孔隙的尺寸和整体架构。
“我们已经证明细胞环境会影响 NPC 结构，但现在我们必须弄清楚如何以及为什么，”舒勒说。他补充说，并非所有蛋白质都可以纯化，因此冷冻 ET 和冷冻 FIB 的组合也可用于检查各种其他细胞成分。“这种双重方法可以解锁一切。”
德国亚琛工业大学生物化学教授 Wolfram Antonin 说：“这篇论文很好地说明了技术进步，在这种情况下，对冷冻聚焦离子束研磨的人体细胞进行冷冻电子断层扫描，提供了细胞结构的新图景。”没有参与研究。NPC 中央运输通道的直径比以前认为的要大，这一事实暗示该孔隙可能具有令人印象深刻的结构灵活性。“这对于细胞适应增加的运输需求可能很重要，”Antonin 解释说。
接下来，舒勒和施瓦茨希望了解孔的大小如何影响哪些分子可以通过。例如，科学家们直到最近才确定该孔足够大，可以让完整的病毒（如 HIV）进入细胞核。同样的原则也适用于医学治疗：只有具有特定特性的适当大小的药物才能访问细胞的 DNA。
Schwartz 特别想知道所有 NPC 是否生而平等，或者它们的结构是否因物种或细胞类型而异。
“我们一直在操纵细胞并将单个组件脱离其原生环境，”他说。“现在我们知道这种方法的后果可能比我们想象的要大得多。”
参考：
“细胞环境塑造了核孔复合体结构”，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