Shi Yigong과 다른 팀이 Science 표지에 등장: AI와 저온전자현미경을 통해 생명과학의 돌파구인 '원자 수준' NPC 구조 공개

텍스트를 시작하기 전에 아래 그림을 보면 그림의 오른쪽 절반이 더 풍부한 정보와 더 명확한 구조를 나타내고 있음이 분명합니다. 2016년 사진의 왼쪽 절반은 상대적으로 단순한 구조를 가지고 있으며 더 적은 정보를 나타냅니다.

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사실 위에 표시된 것은 NPC(Nuclear Pore Complex)의 이미지입니다. 약 1,000개의 단백질 하위 단위로 구성된 핵공 복합체는 진핵 세포의 핵과 세포질 사이에서 거대분자의 바쁜 수송을 담당하며, 세포질과 핵을 연결하는 유일한 양방향 채널이기도 합니다. NPC는 수송을 조정하는 것 외에도 전사, mRNA 성숙, 스플라이스솜 및 리보솜 조립과 같은 필수 생활 사건을 구성합니다. NPC의 강력한 역할은 질병 돌연변이와 숙주-병원체 상호작용의 핵심 포인트가 되었습니다.

저해상도 완전 핵기공 구조와 고해상도 핵기공 성분 구조 기술의 개발로 세포 핵기공이 더욱 주목을 받고 있습니다. 그러나 이 정보를 사용하여 30개 이상의 서로 다른 단백질 복사본을 올바르게 조립하고 고해상도 3차원 구조를 구축하는 것은 어려운 과제였습니다.

오늘 "사이언스" 매거진은 5편의 논문을 표지 특집으로 게재했는데, 그 중 3편은 인간 핵 기공 복합체의 원자에 가까운 분해능 극저온 전자 현미경 구조를 공동으로 밝혔고, 나머지 2편은 Xenopus laevis Single-particle을 통한 연구입니다. 척추동물 핵 기공 복합체의 저온-EM 이미지가 제시됩니다. 이 표지 기사는 여러 연구를 결합하여 인간 NPC에 대한 거의 원자 수준의 그림을 만듭니다.

​논문 주소: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210

이 연구 결과는 10년간의 여러 연구를 포함한 여러 연구를 기반으로 합니다. 생화학적 재구성, X선 결정학, 질량 분석법, 돌연변이 유발, 세포 생물학 등이 있습니다. 인간 NPC는 크게 개선된 저온 전자 단층촬영을 사용하여 재구성되었으며 구성 요소는 인공 지능 기술을 사용하여 정확하게 모델링되었습니다. 단일 입자 극저온-EM의 분해능을 향상시켜 척추동물 NPC의 2차 구조 요소 및 잔류물 수준 세부 사항을 시각화할 수 있는 다른 연구가 있습니다. 분자 집합은 오래된 핵 비계부터 부품을 함께 고정하는 코넥신까지, 그리고 중앙 수송 채널 위의 세포질 필라멘트에 고정되는 핵막까지 척추동물과 인간 NPC의 구조에 대한 이해를 풍부하게 해줍니다.

여기에 보고된 연구 결과는 실험 구조 생물학과 인공 지능 간의 상생 협력을 나타내며 인류가 생물학적 미시 세계를 탐험하는 또 다른 승리입니다. 또한, 이는 거대분자 어셈블리의 구성 및 설계 원리를 이해하려는 우리의 탐구에서 진행 중인 해상도 혁명이 대체할 수 없음을 보여줍니다.

아래는 대칭형 코어(주황색)와 세포질 필라멘트(노란색)를 포함하여 새로 분해된 구성 요소가 있는 2022년 인간 핵 기공 복합체의 단면도입니다.

5개의 연구 논문

논문 1: "핵 기공의 세포질 표면의 구조"

논문 주소: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

Nuclear 기공 복합체(NPC)는 핵세포질 수송을 위한 유일한 양방향 채널입니다. NPC의 대칭 핵심 구조를 밝히는 최근의 진전에도 불구하고 mRNA 수출 및 뉴클레오포린 관련 질병의 핫스팟인 비대칭 분포 세포질 표면은 여전히 ​​파악하기 어렵습니다.

California Institute of Technology 및 기타 기관의 연구자들은 생화학적 재구성, 결정 구조 결정, 저온 전자 단층촬영 재구성 및 생리학적 검증을 결합하여 얻은 인간 세포질 표면의 복합 구조를 보고합니다. 종별 모티프는 중앙 수송 채널 위에 진화적으로 보존된 ~540 킬로달톤 이종육량체 세포질 필라멘트 뉴클레오포린 복합체를 고정하는 반면, NUP358 오량체 묶음의 부착은 코트 뉴클레오포린 복합체의 이중 고리 배열에 따라 달라집니다. 그들이 밝혀낸 복잡한 구조와 예측력은 mRNA 수출과 뉴클레오포린 질병의 분자적 기초를 밝히기 위한 풍부한 기초를 제공합니다.

인간 NPC의 세포질 얼굴.

논문 2: "핵 기공의 링커-비계 구조"​

논문 주소: https://www.science.org/doi/10.1126/science .abm9798

NPC의 대칭 코어에서 구조화된 스캐폴딩 뉴클레오포린의 배열을 확인할 수 있었지만 다가 비구조적 링커 뉴클레오포린을 통한 응집력은 여전히 ​​파악하기 어렵습니다.

생화학적 재구성, 고해상도 구조 결정, 저온 전자 단층 촬영 재구성 및 생리학적 검증을 결합하여 Caltech 연구원은 ~64메가달의 인간 NPC를 생성하는 진화적으로 보존된 링커 비계 구조를 설명합니다. 메가달턴 대칭. 관절은 일반적으로 견고한 역할을 하지만 NPC의 관절 비계는 중앙 전달 채널의 가역적 수축 및 확장과 측면 채널의 출현에 필요한 가소성과 견고성을 제공합니다. 그들의 결과는 NPC 대칭 코어의 구조적 특성을 크게 향상시키고 향후 기능 연구의 토대를 마련합니다.

​ 인간 NPC 대칭 코어를 위한 조인트 브라켓 구조입니다.

논문 3: "AI 기반 구조 예측으로 인간 핵공의 통합 분석 가능"​

​논문 주소: https://www.science.org/doi / 10.1126/science.abm9506

NPC(핵 기공 복합체)가 핵세포질 수송을 중재하는 동안, 이들의 복잡한 120메가달톤 구조는 아직 불완전하게 이해되어 있습니다. 막스 플랑크 생물물리학 연구소(Max Planck Institute for Biophysics)의 연구원과 다른 연구자들은 명시적인 막과 다양한 형태 상태를 갖춘 인간 NPC 비계의 70메가달톤 모델을 보고했습니다.

AI 기반 구조 예측과 현장 및 세포 저온전자단층촬영, 종합 모델링을 결합합니다. 결과는 링커 뉴클레오포린이 하위 복합체 내 및 하위 복합체 사이에서 지지체를 구성하여 고차 구조를 구축한다는 것을 보여줍니다. 마이크로초 길이의 분자 역학 시뮬레이션은 지지체가 내부 핵막과 외부 핵막의 융합을 안정화하는 데 필요한 것이 아니라 중앙 기공을 확대하는 데 필요하다는 것을 보여줍니다. 이는 AI 기반 모델링이 현장 구조 생물학과 결합되어 공간 구성 수준에 걸쳐 세포 이하 구조를 이해하는 방법을 보여줍니다.

인간 NPC 비계 아키텍처의 70메가달톤 모델.

논문 4: "Xenopus laevis 핵 기공 복합체의 세포질 고리 구조"​

​논문 주소: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

Westlake University와 Tsinghua University는 Xenopus laevis NPC를 3.7-4.7 옹스트롬(angstrom) 단일 해상도로 분석했습니다. - 세포질 고리 하위 단위의 입자 저온 전자 현미경 재구성. 이 중 Nup358의 아미노 말단 도메인 구조는 3.0Å으로 해결되었으며, 이는 각 세포질 고리 하위 단위에서 5개의 Nup358 분자 식별을 용이하게 했습니다.

연구원의 세포질 고리 하위 단위의 최종 모델에는 5개의 Nup358, 2개의 Nup205, 2개의 Nup93 분자와 이전에 특성화되었던 2개의 Y 복합체가 포함됩니다. Nup160의 카르복실 말단 단편은 각 Y 복합체의 정점에 대한 조직 센터 역할을 합니다. 구조 분석을 통해 Nup93, Nup205 및 Nup358이 주로 Y 복합체의 두 층으로 형성된 세포질 링 스캐폴드의 조립을 촉진하고 강화하는 방법이 밝혀졌습니다.

​Xenopus laevis NPC 이중층 세포질 링의 Cryo-EM 구조.

논문 5: "통합 cryo-EM 및 AlphaFold에 의한 핵 기공 복합체의 세포질 고리 구조"​

​논문 주소: https://www.science.org /doi/10.1126/science.abm9326

하버드 의과대학 및 기타 기관의 연구자들은 단일 입자 저온 전자 현미경과 AlphaFold 예측을 사용하여 Xenopus laevis 난모세포에서 거의 완전한 NPC 세포질 고리 구조를 확인했습니다. 특히 그들은 AlphaFold를 사용하여 뉴클레오포린의 구조를 예측하고 눈에 띄는 2차 구조 밀도를 가이드로 사용하여 중간 해상도 맵을 맞추었습니다.

또한 AlphaFold를 사용한 복잡한 예측을 통해 특정 분자 상호 작용이 추가로 확립되거나 확인되었습니다. 연구진은 수송을 위한 Phe-Gly 반복이 있는 가장 큰 NPC 하위 단위인 Nup358에 대한 5가지 결합 모드를 확인했습니다. 그들은 Nup358이 특정 조건에서 NPC 형성을 위한 핵 생성 센터 역할을 하는 데 도움이 되는 활동을 제공하는 코일 코일 도메인을 포함하고 있다고 예측했습니다.

Xenopus NPC 세포질 고리의 Cryo-EM 구조.

위 내용은 Shi Yigong과 다른 팀이 Science 표지에 등장: AI와 저온전자현미경을 통해 생명과학의 돌파구인 '원자 수준' NPC 구조 공개의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!