Shi Yigong 氏と他のチームが『Science: AI と極低温電子顕微鏡で「原子レベル」の NPC 構造を明らかに、生命科学のブレークスルー』の表紙に登場

本文を始める前に、図を見てみましょう。下の図では、図の右半分がより豊富な情報とより明確な構造を表していることが明らかです。 2016 年の図の左半分は比較的単純な構造で、表している情報が少なくなっています:

##実際、上に示されているのは核孔複合体 (NPC) の画像です。約 1,000 個のタンパク質サブユニットで構成される核膜孔複合体は、真核細胞の核と細胞質の間で高分子を忙しく輸送する役割を担っており、細胞質と核をつなぐ唯一の双方向チャネルでもあります。 NPC は輸送の調整に加えて、転写、mRNA 成熟、スプライセオソームやリボソームの組み立てなどの重要な生命イベントを組織します。 NPC の強力な役割は、疾患の突然変異と宿主と病原体の相互作用における重要なポイントとなっています。

低解像度の核細孔全体構造と高解像度の核細孔構成構造技術の開発により、細胞の核細孔はますます注目を集めています。しかし、この情報を使用して 30 を超える異なるタンパク質コピーを正しく組み立て、高解像度の三次元構造を構築することは困難な課題でした。

本日、「サイエンス」誌は表紙特集として 5 つの論文を掲載し、そのうちの 3 つは共同でヒトの核孔複合体のほぼ原子分解能のクライオ電子顕微鏡構造を明らかにしました。は、アフリカツメガエルの脊椎動物の核孔複合体の単一粒子クライオ EM 画像を発表しました。この表紙記事は複数の研究をつなぎ合わせて、人間の NPC のほぼ原子レベルの画像を作成します。

論文アドレス: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210

この発見は、生化学的再構成、X 線結晶構造解析、質量分析、突然変異誘発、細胞生物学などの数十年にわたる研究に基づいています。人間の NPC は大幅に改良されたクライオ電子断層撮影法を使用して再構築され、コンポーネントは人工知能技術を使用して正確にモデル化されました。単一粒子クライオ EM の分解能を向上させ、脊椎動物 NPC の二次構造要素と残基レベルの詳細の視覚化を可能にした研究は他にもあります。この分子集合体は、古い核の足場から各部分を保持するコネキシン、そして中央輸送チャネルの上にある細胞質フィラメントに固定されている核膜に至るまで、脊椎動物とヒトのNPCの構造についての理解を深めます。

ここで報告される研究結果は、実験構造生物学と人工知能の間のウィン・ウィンの協力関係を表しており、人類が生物学的ミクロの世界を探求するための新たな勝利となります。さらに、このことは、現在進行中の解像度革命が、高分子集合体の構築と設計の原理を理解する探求においてかけがえのないものであることも示しています。

以下は、対称コア (オレンジ色) と細胞質フィラメント (黄色) を含む新たに解明されたコンポーネントを含む、2022 年のヒト核孔複合体の断面図です。

5 つの研究論文

#論文 1: 「核孔の細胞質面の構造」

#論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

#核膜孔複合体 (NPC) は、核細胞質輸送の唯一の双方向チャネルです。 NPC の対称コア構造の解明における最近の進歩にもかかわらず、mRNA 輸送およびヌクレオポリン関連疾患のホットスポットである非対称に分布した細胞質表面は依然としてとらえどころがありません。

カリフォルニア工科大学およびその他の機関の研究者らは、生化学的再構成、結晶構造決定、極低温電子断層撮影法による再構成および生理学的検証を組み合わせることによって得られたヒト細胞質平面の複合構造を報告しています。種特異的モチーフは進化的に保存された約540キロダルトンのヘテロ六量体細胞質フィラメントヌクレオポリン複合体を中央輸送チャネルの上に固定しているが、NUP358五量体バンドルの結合はコートヌクレオポリン複合体の二環配置に依存する。それらが明らかにする複雑な構造とその予測力は、mRNA 輸送とヌクレオポリン疾患の分子基盤を解明するための豊富な基礎を提供します。

人間 NPC の細胞質の顔。

論文 2: 「核孔内のリンカー足場の構造」

##論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798

NPC の対称コアにおける構造化足場ヌクレオポリンの配置は決定されていますが、多価の非構造化リンカー ヌクレオポリンを介した結合は依然として解明されていません。

生化学的再構成、高分解能構造決定、クライオ電子断層撮影法による再構成、生理学的検証を組み合わせることにより、カリフォルニア工科大学の研究者らは、進化的に保存された関節足場構造を解明し、その結果、人間の NPC は約64メガダルトンの対称性を持つ原子に近い複合構造コア。通常、関節は硬い役割を果たしますが、NPC の関節足場は、中央輸送チャネルの可逆的な収縮と拡張、および側方チャネルの出現に必要な可塑性と堅牢性を提供します。彼らの結果は、NPC 対称コアの構造特性評価を大幅に前進させ、将来の機能研究の基礎を築きました。

人間 NPC 対称コアの関節足場構造。

#論文 3: 「AI ベースの構造予測により、ヒトの核孔の統合的構造解析が可能になる」

##論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506

核孔複合体 (NPC) は核細胞質輸送を媒介しますが、その複雑な 120 メガダルトンの構造は依然として不完全に理解されています。マックス・プランク生物物理学研究所などの研究者らは、明示的な膜と複数の立体構造状態を備えたヒトNPC足場の70メガダルトンモデルを報告している。

AI ベースの構造予測と、その場および細胞のクライオ電子断層撮影法、包括的なモデリングを組み合わせています。この結果は、リンカーヌクレオポリンがサブ複合体内およびサブ複合体間の足場を組織して高次構造を構築することを示しています。マイクロ秒単位の分子動力学シミュレーションにより、足場は内核膜と外核膜の融合を安定化させるために必要ではなく、むしろ中心孔を拡大するために必要であることが示された。これらは、AI ベースのモデリングを in situ 構造生物学と組み合わせて、空間組織のレベル全体にわたる細胞内構造を理解する方法を示しています。

人間 NPC 足場アーキテクチャの 70 メガダルトン モデル。

論文 4: 「アフリカツメガエルの核孔複合体の細胞質リングの構造」

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論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

ウェストレイク大学および清華大学アフリカツメガエル NPC の細胞質環サブユニットを 3.7 ～ 4.7 オングストロームの解像度で再構成した単粒子クライオ電子顕微鏡。これらのうち、Nup358 のアミノ末端ドメインの構造は 3.0 Å まで解明され、各細胞質環サブユニット内の 5 つの Nup358 分子の同定が容易になりました。

研究者らの細胞質環サブユニットの最終モデルには、5 つの Nup358 分子、2 つの Nup205 分子、および 2 つの Nup93 分子に加え、以前に特徴付けられた 2 つの Y 複合体が含まれています。 Nup160 のカルボキシル末端フラグメントは、各 Y 複合体の頂点の組織化中心として機能します。構造解析により、Nup93、Nup205、および Nup358 が、主に 2 層の Y 複合体によって形成される細胞質リング足場の構築をどのように促進および強化するのかが明らかになりました。

アフリカツメガエル NPC の二層細胞質リングのクライオ EM 構造。

論文 5: 「統合型クライオ EM と AlphaFold による核孔複合体の細胞質リングの構造」

#論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326

ハーバード大学医学部およびその他の研究機関の研究者らは、単粒子クライオ電子顕微鏡法と AlphaFold 予測を使用して、アフリカツメガエル卵母細胞からほぼ完全な NPC の細胞質環構造を決定しました。具体的には、AlphaFold を使用してヌクレオポリンの構造を予測し、顕著な二次構造密度をガイドとして使用して中解像度マップを当てはめました。

さらに、AlphaFold を使用した複雑な予測を通じて、特定の分子相互作用がさらに確立または確認されました。研究者らは、輸送のためのPhe-Glyリピートを持つ最大のNPCサブユニットであるNup358の5つの結合モードを特定した。彼らは、Nup358 には、特定の条件下で NPC 形成の核形成中心として機能するのに役立つ活性を提供するコイルドコイル ドメインが含まれていると予測しました。

## アフリカツメガエル NPC 細胞質ループのクライオ EM 構造。

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