加载中…科技日报--解开细胞的秘密：科学家“潜入”核孔复合体的黑洞
(2023-07-14 14:05:18)
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题记：小小的细胞神奇精密，比任何一台精密仪器都灵敏，因为细胞的中心也有一个动态的“黑洞”；这个“黑洞”是由本质无序蛋白组成的。然而，在科学技术持续进步的今天，科学家们也可以潜入“黑洞”，进而发现细胞鲜为人知的秘密。本质无序蛋白形成了一个流动的、像意大利面条一样的屏障。本质无序蛋白缺乏明确的三维结构。它们是灵活的，不断移动——就像沸水中的意大利面条。进而构成了一道特别的屏障，允许基本的细胞因子通过，同时阻断病毒和其他有害病原体。而核孔可以被认为是分子保镖，每一个核孔每秒都会检查成千上万的访客。只有持有入场券的人才可以通过。细胞不仅精密神奇，其工作效率也是超高。在一秒钟之内能做这么多的工作，赶上计算机了！细胞的防御功能也是惊人的，而这些无序蛋白是防御的关键。它们是在无序的动态中保护DNA不受损害和损伤。由此看来，生命中的无序和运动对于维系生命的过程是必不可少的！
这张图片展示了核孔复合体的岩石支架结构的艺术印象，该复合体在中央通道中填充了本质无序的蛋白质，被描绘成海藻。在这项工作中，科学家们“潜入”核孔复合体的黑洞，照亮无序的蛋白质。图片来源：Sara Mingu
核外壳孔隙内的动态网络阻碍了危险的入侵者。
细胞核内的微小孔隙对健康衰老至关重要，因为它们可以保护和维持DNA。德国美茵河畔法兰克福马克斯•普朗克生物物理研究所理论生物物理系和美因茨约翰内斯•古腾堡大学蛋白质紊乱合成生物物理组的一个小组填补了人们对这些核孔结构和功能的理解上的一个空白。
在他们的研究中，科学家们阐明了位于孔隙中心的内在无序蛋白质的行为。他们发现这些蛋白质形成了一个流动的、像意大利面条一样的屏障。这种屏障允许基本的细胞因子通过，同时阻断病毒和其他有害病原体。
人类细胞将其遗传物质屏蔽在细胞核内，受到核膜的保护。作为细胞的控制中心，细胞核必须能够与细胞的其他部分交换重要的信使分子、代谢物或蛋白质。因此，在核膜中构建了大约2000个孔，每个孔由大约1000个蛋白质组成。
几十年来，研究人员一直着迷于这些核孔的三维结构和功能，它们充当着基因组的守护者：控制细胞所需的物质被允许通过，而病原体或其他破坏DNA的物质被阻止进入。因此，核孔可以被认为是分子保镖，每一个核孔每秒都会检查成千上万的访客。只有持有入场券的人才可以通过。
核孔是如何处理这项艰巨的任务的？附着在孔支架上的大约300种蛋白质像触角一样深入中央开口。直到现在，研究人员还不知道这些触手是如何排列的，以及它们是如何击退入侵者的。这是因为这些蛋白质本质上是无序的，缺乏明确的三维结构。它们是灵活的，不断移动——就像沸水中的意大利面条。
显微镜和计算机模拟相结合
由于这些内在无序的蛋白质（IDP）不断改变其结构，科学家很难破译其三维结构和功能。研究人员用来对蛋白质成像的大多数实验技术只适用于定义的3D结构。到目前为止，核孔的中心区域被表示为一个洞，因为无法确定开口中本质无序蛋白的结构。
由马克斯•普朗克生物物理研究所所长Gerhard Hummer和美因茨约翰内斯•古腾堡大学合成生物物理学教授、美因茨分子生物学研究所副所长Edward Lemke领导的团队现在使用了合成生物学的新组合，多维荧光显微镜和基于计算机的模拟来研究活细胞中的核孔IDPs（本质无序蛋白）。
Lemke解释道：“我们使用现代精密工具，用荧光染料标记意大利面条状蛋白质的几个点，我们用光激发这些点，并在显微镜中观察。”“根据发光模式和持续时间，我们能够推断出蛋白质必须如何排列。”Hummer补充道，“然后我们使用分子动力学模拟来计算IDP（本质无序蛋白）在孔隙中的空间组织方式、它们如何相互作用以及它们如何移动。我们第一次可以可视化人类细胞控制中心的大门。”
作为运输屏障的动态蛋白质网络
与我们以前所知道的相比，运输孔中的触手呈现出完全不同的行为，因为它们相互作用，也与货物相互作用。它们像前面提到的沸水中的意大利面条一样永久移动。因此，在孔隙的中心，没有洞，而是一个由摆动的意大利面条状分子组成的盾牌。病毒或细菌太大了，无法通过这个筛子。然而，细胞核中所需的其他大细胞分子可以通过，因为它们携带非常特异的信号。这些分子有入场券，而病原体通常没有。
马克斯•普朗克生物物理研究所的合作者兼同事马丁•贝克补充道：“通过解开孔隙填充，我们进入了核传输研究的新阶段。”
Hummer总结道：“了解毛孔是如何运输或阻塞货物的，将有助于我们识别错误。毕竟，尽管有屏障，一些病毒还是能进入细胞核。”Lemke说：“通过我们的方法组合，我们现在可以更详细地研究IDP（本质无序蛋白），以找出为什么它们对某些细胞功能是必不可少的，尽管它们很容易出错。事实上，IDP几乎在所有物种中都存在，尽管它们在衰老过程中有形成聚集体的风险，这可能导致阿尔茨海默病等神经退行性疾病。”
通过了解本质无序蛋白的功能，研究人员旨在开发预防病毒感染和帮助健康衰老的新药或疫苗。
这张图片展示了核孔复合体的岩石支架结构的艺术印象，该复合体在中央通道中填充了本质无序的蛋白质，被描绘成海藻。在这项工作中，科学家们“潜入”核孔复合体的黑洞，照亮无序的蛋白质。图片来源：Sara Mingu
核外壳孔隙内的动态网络阻碍了危险的入侵者。
细胞核内的微小孔隙对健康衰老至关重要，因为它们可以保护和维持DNA。德国美茵河畔法兰克福马克斯•普朗克生物物理研究所理论生物物理系和美因茨约翰内斯•古腾堡大学蛋白质紊乱合成生物物理组的一个小组填补了人们对这些核孔结构和功能的理解上的一个空白。
在他们的研究中，科学家们阐明了位于孔隙中心的内在无序蛋白质的行为。他们发现这些蛋白质形成了一个流动的、像意大利面条一样的屏障。这种屏障允许基本的细胞因子通过，同时阻断病毒和其他有害病原体。
人类细胞将其遗传物质屏蔽在细胞核内，受到核膜的保护。作为细胞的控制中心，细胞核必须能够与细胞的其他部分交换重要的信使分子、代谢物或蛋白质。因此，在核膜中构建了大约2000个孔，每个孔由大约1000个蛋白质组成。
几十年来，研究人员一直着迷于这些核孔的三维结构和功能，它们充当着基因组的守护者：控制细胞所需的物质被允许通过，而病原体或其他破坏DNA的物质被阻止进入。因此，核孔可以被认为是分子保镖，每一个核孔每秒都会检查成千上万的访客。只有持有入场券的人才可以通过。
核孔是如何处理这项艰巨的任务的？附着在孔支架上的大约300种蛋白质像触角一样深入中央开口。直到现在，研究人员还不知道这些触手是如何排列的，以及它们是如何击退入侵者的。这是因为这些蛋白质本质上是无序的，缺乏明确的三维结构。它们是灵活的，不断移动——就像沸水中的意大利面条。
显微镜和计算机模拟相结合
由于这些内在无序的蛋白质（IDP）不断改变其结构，科学家很难破译其三维结构和功能。研究人员用来对蛋白质成像的大多数实验技术只适用于定义的3D结构。到目前为止，核孔的中心区域被表示为一个洞，因为无法确定开口中本质无序蛋白的结构。
由马克斯•普朗克生物物理研究所所长Gerhard Hummer和美因茨约翰内斯•古腾堡大学合成生物物理学教授、美因茨分子生物学研究所副所长Edward Lemke领导的团队现在使用了合成生物学的新组合，多维荧光显微镜和基于计算机的模拟来研究活细胞中的核孔IDPs（本质无序蛋白）。
Lemke解释道：“我们使用现代精密工具，用荧光染料标记意大利面条状蛋白质的几个点，我们用光激发这些点，并在显微镜中观察。”“根据发光模式和持续时间，我们能够推断出蛋白质必须如何排列。”Hummer补充道，“然后我们使用分子动力学模拟来计算IDP（本质无序蛋白）在孔隙中的空间组织方式、它们如何相互作用以及它们如何移动。我们第一次可以可视化人类细胞控制中心的大门。”
作为运输屏障的动态蛋白质网络
与我们以前所知道的相比，运输孔中的触手呈现出完全不同的行为，因为它们相互作用，也与货物相互作用。它们像前面提到的沸水中的意大利面条一样永久移动。因此，在孔隙的中心，没有洞，而是一个由摆动的意大利面条状分子组成的盾牌。病毒或细菌太大了，无法通过这个筛子。然而，细胞核中所需的其他大细胞分子可以通过，因为它们携带非常特异的信号。这些分子有入场券，而病原体通常没有。
马克斯•普朗克生物物理研究所的合作者兼同事马丁•贝克补充道：“通过解开孔隙填充，我们进入了核传输研究的新阶段。”
Hummer总结道：“了解毛孔是如何运输或阻塞货物的，将有助于我们识别错误。毕竟，尽管有屏障，一些病毒还是能进入细胞核。”Lemke说：“通过我们的方法组合，我们现在可以更详细地研究IDP（本质无序蛋白），以找出为什么它们对某些细胞功能是必不可少的，尽管它们很容易出错。事实上，IDP几乎在所有物种中都存在，尽管它们在衰老过程中有形成聚集体的风险，这可能导致阿尔茨海默病等神经退行性疾病。”
通过了解本质无序蛋白的功能，研究人员旨在开发预防病毒感染和帮助健康衰老的新药或疫苗。
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