NPC在冷冻电子显微镜下看是怎样的？

via 果壳网

冷冻电子显微镜技术（cryo-electron microscopy）是生物物理界最热的话题之一。随着这项技术的进步，我们不需要再辛辛苦苦地预测蛋白质的构象，只要拍一张“照片”就能知道蛋白质乃至蛋白质复合体相对真实的结构。譬如下面这张图，就是一个复杂的蛋白复合体的精细三维结构图，分辨率可达20 Å——它发表在近期的《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上。

图中的“甜甜圈”其实是一个直径只有120纳米的蛋白复合体。图片：参考文献1

图中所拍摄的是核孔复合体（Nuclear Pore Complexes, NPCs），生物体内最复杂的蛋白质复合体之一，它由多达三十多种不同的蛋白质共同构建而成，依赖传统技术显然无法得到它的准确构象。不过通过冷冻电镜技术，研究人员成功还原了该复合体的精细结构。

细胞核是真核细胞储存遗传物质DNA的场所，同时也是DNA转录成为RNA，行使功能的地方。位于细胞核核膜之上的核孔复合体则是细胞核的大门，掌管着诸多大小分子的出入。细胞核内合成的mRNA需要通过核孔才能进入细胞质，而再细胞质中合成地部分蛋白质又要通过核孔才能重新进入细胞核。这些大分子的运输有很高的特异性，以那些能够进入细胞核的蛋白质为例，它们的C端都有一段特定的核定位序列（Nuclear Localization Sequence，NLS）。

核孔复合体的组成：1. 核膜；2. 外环；3. 辐；4. 核篮；5. 纤维。图片：wiki commons

我们很早就知道细胞核的核孔大体由内环、外环和辐组成，朝向细胞核内侧的部分还接有“核篮”结构，外侧也有纤维状蛋白附着，但是对于核孔复合体的精细结构缺乏足够的认识。苏黎世大学教授奥哈德·梅达利亚（Ohad Medalia）领导的研究团队利用冷冻电子显微镜技术观察了冷冻细胞核上的核孔，这些细胞核来自非洲爪蟾的卵。这篇论文中报道的是核孔复合体核心部分的结构，不包括内外的核篮和纤维，仅包括核孔的支撑部分以及核孔中心负责分子进出的部分。

核孔复合体不同角度的影像。图片：参考文献1

根据这样的图像资料，研究人员提出了核孔如何控制大分子物质出入的新模型。他们认为，核孔中央部分的蛋白质会在信号分子的作用下改变构造，让核孔扩大，从而使得核孔张开，允许相应的分子从中穿过。

大分子是如何通过核孔中心的屏障的。图片：参考文献1

除了加深我们对于核孔作用分子机制的了解之外，这项研究在医学方面还有一定的意义——肠癌、卵巢癌、甲状腺等疾病都会导致核孔功能的失效，而这项研究也将使我们对癌症的认识更近一步。

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