人工智能揭示核孔结构，再次证明AlphaFold和RoseTTAfold预测的可靠性
编辑|萝卜皮
细胞核是否具有核膜，是区分真核生物与原核生物的关键。核膜将核内遗传物质与细胞质及其他细胞结构分离开来，使细胞核成为细胞运行的「司令部」。司令部派出的「传令兵」信使RNA则需要经过核膜上的核孔离开，其他「补给」也需要经过核孔运送进入细胞核。核孔复合物（NPC）介导核质运输，其错综复杂的架构仍未完全解析。
在这里，密歇根大学、马克斯·普朗克生物物理研究所、欧洲分子生物学实验室等多个组织的研究人员合作，报告了具有显式膜和多种构象状态的人类NPC支架的近乎完整的结构模型。
研究人员将基于AlphaFold和RoseTTAfold的结构预测，与冷冻电子断层扫描以及综合建模相结合。研究表明接头Nups在子复合物中和跨子复合物的空间组织支架以建立高阶结构。微秒长分子动力学模拟表明，支架不需要稳定内外核膜融合，而是加宽中心孔隙。该工作举例说明了如何将基于AI的建模与原位结构生物学相结合，以了解跨空间组织级别的亚细胞结构。
该研究以「Artificialintelligencerevealsnuclearporecomplexity」为题，于2021年10月27日发布在bioRxiv预印平台。
核孔复合物（NPC）对于细胞核和细胞质之间的运输至关重要，对真核生物中的许多其他细胞过程也至关重要。
在这里，研究人员将来自孤立NE和完整细胞内的人类NPC的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）分析，与基于人工智能的结构预测相结合，从而推断出一个模型；该模型包含90%以上的人类NPC支架，拥有前所未有的精度和多种构造。
他们证明了基于人工智能的Nups模型及其使用AlphaFold和RoseTTAfold构建的子复合体，与未发布的X射线晶体学结构、冷冻电镜图和补充数据一致。阐明了接头Nups的精确三维（3D）轨迹、大多数FG-Nups的膜结合域的组织和移植位点，收缩和扩张构象。
这是近乎完整的结构模型支持新型分析。它揭示了链接器Nups在高阶结构中执行专用的空间组织功能。它能够对嵌入显式膜中的支架进行分子动力学模拟，以说明人类NPC支架如何抵消核膜施加的机械力。
人类NPC的框架结构。
讨论
研究人员已经建立了一个近乎完整的人体NPC支架模型，其收缩状态（直径较小）适用于纯化的核膜，扩张状态适用于细胞；最近在真菌方面的研究发现，在特定的生理条件下细胞内的NPC收缩结构。他们的模型包括多个先前未分配的结构域和蛋白质，解决了替代Nup分配中长期存在的歧义，绘制了NPC支架上蛋白质连接子的连接图，绘制了膜锚定基序，并为进一步研究NPC动力学和功能提供了高质量的基础。
分析表明，粗粒度动力学模型对于分子模拟具有足够的质量，未来可以定量和预测性地描述NPC如何与核膜相互作用以及它如何应对机械挑战。该模型还提供了对直径的天然约束和更精确的FG尾部从支架发出的位置映射，为模拟核质运输提供了更准确的起点。
人类NPC内蛋白质接头的连通性。
如何在拥挤的细胞环境中忠实地组装由大约1000个组件组成的复杂结构是一个非常有趣的问题。研究人员的连接图通过组装的支架捕获链接器Nups的3D轨迹。结合之前对NPC组装的分析，它表明链接器Nups促进了专用的空间组织功能。Nup93在单个IR复合物内和与Nup214复合物的连接表明在确保等化学计量组装方面发挥作用。
这一发现与最近对早期NPC生物发生的分析一致，表明Nup93在细胞质中的翻译过程中已经与Nup62复合物等化学计量相关联。因此，Nup62亚复合物与Nup205/188-Nup93异二聚体的化学计量组装很可能是从NPC生物发生位点预先组装的；这解释了接头对亚复合物内相互作用的重要性；而辐条如何在NE平面形成C2对称接口仍有待解决。
人类NPC的膜锚定图案分布在整个支架上。
在红外膜涂层中，多种相互作用汇聚成一个有趣的跨膜相互作用中心。研究人员提出，它的核心是由外环和内环之间的界面处的Aladin-NDC1异二聚体形成的。这个跨膜相互作用中心很可能是同一轮辐内Nup155的两个近似副本的空间组织者，分别指向外环和IR。Aladin-NDC1可能进一步与Gp210相关联，它在NE管腔中的辐条之间拱起。
该中心还结合Nup35，Nup35连接到相邻辐条的Nup155副本，从而促进水平的圆柱形寡聚化。由于Nup35在NPC组装过程中早期与Nup155相关联，因此其二聚化结构域对于将其柔性连接器支架固定在IR膜涂层内的相邻辐条上至关重要。
他们的分析不一定支持「NPC融合INM和ONM」或它们「稳定INM和ONM的融合」的经常强调的概念。该模拟表明，膜融合拓扑结构本身在一定条件下是稳定的，向链状松弛，膜弯曲能为零。
事实上，一些物种在没有NPC的情况下维持融合拓扑，例如在果蝇的半封闭有丝分裂期间。相反，他们的分析表明NPC稳定了一个比松弛、无张力的双膜孔更宽的孔。这一观点与有丝分裂后NPC组装的超微结构分析一致，该分析表明NE孔以小直径形成并在招募NPC亚复合体后扩张。这些数据认为，膜形状定义了NPC支架的轮廓，反之亦然。
来自分子模拟的NPC动力学。
该工作的一个创新方面是，研究人员使用基于AI的结构预测程序AlphaFold和RoseTTAfold对用于拟合EM图的所有原子结构进行建模，并在不直接使用任何X射线结构或同源模型的情况下对整个NPC支架进行建模。
预测的原子结构传统上表现出各种不准确性，限制了它们在低分辨率EM图中建立详细的近原子模型的使用。然而，AlphaFold和RoseTTAfold最近在预测单体蛋白质和复合物的结构方面表现出前所未有的准确性。这些程序还被证明可以准确评估它们在单个残基和域间接触水平上的置信度。事实上，研究人员可以通过将模型与未发表的晶体结构、冷冻电镜图和生化数据进行比较，来验证模型的成功。
由此产生的NPC支架模型几乎是完整的，并且在几个界面上表现出接近原子级的精度。该模型还包含几个外围NUP，例如Nup214和Nup358复合体的部分。尽管由于它们的灵活性，这些外围Nup的整个EM密度不太可能在不久的将来得到解决，但通过整合来自可以解决灵活蛋白质（例如超级蛋白质）的互补技术的数据，可以实现人类NPC的完整模型。分辨率显微镜、FRET和特定位点标记。
由于原位和纤维素冷冻ET以及强大的基于AI的预测，现在可以对复杂的结构（例如NPC）进行建模。并非研究人员尝试使用基于AI的结构预测建模的所有亚基或域组合都会导致与互补数据一致的结构模型，强调在先验知识仍然稀疏的情况下，未来仍需要实验结构确定。然而，即使基于人工智能的建模不能产生高可信度的结果，这些模型仍然可以作为假设生成和后续实验验证的工具。
论文链接：www.biorxiv.org/content/10.…