細(xì)胞核與其主室(稱為細(xì)胞質(zhì))之間的守衛(wèi)是成千上萬(wàn)的巨型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為核孔復(fù)合物或NPC。NPC就像一個(gè)細(xì)胞核的保鏢，嚴(yán)格保護(hù)進(jìn)出的內(nèi)容。每個(gè)結(jié)構(gòu)含有約1,000個(gè)蛋白質(zhì)分子，使NPC成為我們體內(nèi)最大的蛋白質(zhì)復(fù)合物。NPC最著名的客戶之一是一類稱為信使RNA或mRNA的分子。這些是攜帶從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的遺傳指令的信使，然后它們被翻譯成蛋白質(zhì)。但是，NPC如何將mRNA轉(zhuǎn)移出細(xì)胞核仍然是一個(gè)謎。

“mRNA是通過NPC攜帶的最大貨物之一，整個(gè)過程只需幾分之一秒，”加州理工學(xué)院化學(xué)教授，遺傳醫(yī)學(xué)研究所(HMRI)研究員和霍華德說(shuō)。休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)學(xué)院學(xué)者。“它的工作原理是生物學(xué)中最大的未解決問題之一。”

NPC與幾種疾病有關(guān)。復(fù)合物內(nèi)蛋白質(zhì)的突變與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病如肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)有關(guān)，已知患有亨廷頓氏病的人在其NPC功能方面存在缺陷。

在6月13日出版的Nature Communications上的一項(xiàng)新研究中，Hoelz和他的團(tuán)隊(duì)由Daniel Lin(博士'17)帶頭，他是Caltech的前研究生，現(xiàn)在在麻省理工學(xué)院懷特黑德生物醫(yī)學(xué)研究所和Sarah Cai加州理工學(xué)院的一名本科生報(bào)告了人類NPC特定組成部分的第一次原子級(jí)研究，這些組成部分負(fù)責(zé)將mRNA丟失在細(xì)胞質(zhì)中。對(duì)于通過NPC運(yùn)輸?shù)膍RNA，必須用核輸出因子(一種小蛋白質(zhì))標(biāo)記。該標(biāo)簽就像一張票，允許mRNA進(jìn)入NPC的中央傳輸通道。一旦mRNA到達(dá)細(xì)胞質(zhì)一側(cè)，它必須交出票 - 否則，mRNA可以返回到細(xì)胞核，并且它編碼的蛋白質(zhì)不會(huì)被制造出來(lái)。

通過一系列涉及X射線晶體學(xué)，生物化學(xué)，酶學(xué)和其他方法的實(shí)驗(yàn)，研究人員首次展示了這種未標(biāo)記mRNA分子的過程如何在人體細(xì)胞中發(fā)揮作用。

“就好像我們之前有過快照一樣，現(xiàn)在我們有一部電影向我們展示了當(dāng)mRNA在細(xì)胞質(zhì)中脫落時(shí)究竟在分子尺度上會(huì)發(fā)生什么，”林說(shuō)。

通過獲得人類NPC的一些關(guān)鍵蛋白質(zhì)組分的一系列晶體結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)成為可能。其中一個(gè)組件稱為Gle1。這種蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)之前已在酵母中獲得，但對(duì)其人類變體這樣做仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過研究酵母Gle1的生化特性，研究人員能夠發(fā)現(xiàn)另一種叫做Nup42的蛋白質(zhì)需要穩(wěn)定Gle1。了解這一點(diǎn)后，該團(tuán)隊(duì)首次能夠從大量細(xì)胞中純化人Gle1，然后使用Caltech在斯坦福同步輻射光源的分子天文臺(tái)光束線獲得其晶體結(jié)構(gòu)。

“即使在酵母和人類之間數(shù)十億年的進(jìn)化，我們的生物機(jī)械仍然有一些方面保持不變，”林說(shuō)。

憑借凈化人類Gle1的能力，研究人員著手研究突變?nèi)绾斡绊懫浣Y(jié)構(gòu)。他們觀察了已知與致命性攣縮先天性綜合征1(LCCS1)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病相關(guān)的Gle1的幾個(gè)特定突變，并發(fā)現(xiàn)該蛋白的突變形式不那么穩(wěn)定。

“Gle1對(duì)于生命正常運(yùn)作至關(guān)重要，”Hoelz說(shuō)，“因此任何導(dǎo)致其不穩(wěn)定的突變都會(huì)引發(fā)問題。”

然后，研究人員研究了與一種名為DDX19的蛋白結(jié)合的Gle1結(jié)構(gòu)，該蛋白在通過NPC后負(fù)責(zé)對(duì)mRNA分子進(jìn)行標(biāo)記。Gle1需要激活DDX19，并且 - 直到現(xiàn)在 - 人們認(rèn)為稱為肌醇六磷酸(IP6)的小分子像Gle1和DDX19之間的系鏈一樣，允許激活發(fā)生。

“我們發(fā)現(xiàn)人類不需要IP6，這是一個(gè)驚喜，因?yàn)樗诮湍钢惺潜匦璧?，并且以前認(rèn)為IP6依賴性發(fā)生在所有物種中，”Cai說(shuō)。“雖然酵母和人類蛋白質(zhì)之間存在一些相似之處，但也存在著重要的差異。”

更重要的是，這項(xiàng)新研究在原子級(jí)細(xì)節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明了mRNA的無(wú)標(biāo)記是如何起作用的。這種結(jié)構(gòu)信息可以在將來(lái)用于幫助設(shè)計(jì)用于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的治療藥物。

Hoelz說(shuō)林和蔡真的超出了對(duì)這項(xiàng)研究的期望。“他們希望發(fā)現(xiàn)一些新的東西，他們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中超越了他們，”他說(shuō)。“他們實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。這是加州理工學(xué)院的一個(gè)時(shí)刻。”