Jun 28, 2023
무질서한 핵 수송 기계를 현장에서 시각화
Nature 617권, 162~169페이지(2023)이 기사 인용 18k 액세스 3회 인용 214 Altmetric Metrics 세부 정보 약 120 MDa 포유류 핵 기공 복합체(NPC)는 다음과 같은 문지기 역할을 합니다.
Nature 617권, 162~169페이지(2023)이 기사 인용
18,000회 액세스
3 인용
214 알트메트릭
측정항목 세부정보
약 120 MDa 포유류 핵 기공 복합체(NPC)는 핵과 세포질1 사이의 수송을 위한 문지기 역할을 합니다. NPC의 중앙 채널은 FG-NUP(FG-nucleoporins)라고 불리는 수백 개의 본질적으로 무질서한 단백질(IDP)로 채워져 있습니다2,3. NPC 비계의 구조는 놀라울 정도로 세부적으로 해결되었지만 FG-NUP에 의해 구축된 실제 운송 기계(약 50 MDa)는 고도로 분해된 단층촬영 및/또는 인공적으로 계산된 구조에서도 약 60nm 구멍으로 묘사됩니다. 지능4,5,6,7,8,9,10,11. 여기에서 우리는 시간 분해능이 높은 형광 현미경과 결합된 합성 생물학 기반 부위별 소분자 라벨링 접근 방식을 사용하여 살아있는 세포와 투과성 세포에서 손상되지 않은 수송 기계를 갖춘 NPC 내부의 중요한 FG-NUP98의 형태를 직접 조사했습니다. NPC의 거친 분자 시뮬레이션과 결합된 FG-NUP98 세그먼트의 거리 분포에 대한 단일 투과성 세포 측정을 통해 나노 크기 전송 채널 내부의 미지의 분자 환경을 매핑할 수 있었습니다. 우리는 채널이 Flory 고분자 이론12의 용어로 '좋은 용매' 환경을 제공한다고 판단했습니다. 이는 FG 도메인이 확장된 형태를 채택하여 핵과 세포질 사이의 수송을 제어할 수 있게 합니다. 프로테옴의 30% 이상이 IDP에서 형성되므로, 우리 연구는 세포 신호 전달, 상 분리, 노화 및 바이러스 진입과 같은 다양한 과정에서 중요한 IDP의 장애-기능 관계를 현장에서 해결할 수 있는 창을 엽니다.
IDP는 고정된 3차 구조가 없고 다양한 형태를 채택하여 세포 전반에 걸쳐 다양한 기능을 수행할 수 있는 유연하고 역동적인 거대분자입니다. IDP는 인간 생리학과 매우 관련성이 높으며 특히 신경퇴행성 노화 질환 및 암에서 중심적인 역할을 합니다. IDP는 또한 상 분리의 핵심 역할을 하며 생체분자 응축물의 형성에 관여합니다13,14,15,16,17,18,19,20,21. 포유동물의 총 분자량이 약 120 MDa인 나노 크기 NPC에는 FG-NUPs1로 알려진 페닐알라닌(F) 및 글리신(G) 잔기가 풍부한 수백 개의 IDP가 있습니다. FG-NUP는 NPC의 중앙 채널에서 투과성 장벽을 형성하며, 이는 핵 국소화 시퀀스 또는 핵 수출 시퀀스2,3을 제시하지 않는 한 대형 화물의 통과를 제한하여 핵세포질 수송을 조절합니다. 핵 수송 수용체는 이러한 서열을 구체적으로 인식하고 장벽을 통해 화물을 효율적으로 운반할 수 있습니다. 최근 저온 전자 단층 촬영, 결정학, 단백질체학 및 인공 지능(AI) 기반 구조 예측의 발전으로 중앙 채널을 둘러싸는 NPC 비계의 약 70 MDa가 거의 원자 해상도로 해결되었습니다4,5,6,7,8 ,9,10,11. 그러나 매우 역동적인 FG-NUP의 신호는 대체로 이러한 구조 생물학 기술에 접근할 수 없으며 중앙 채널 내부의 실제 운송 기계(또 다른 약 50MDa)는 캡처되지 않아 채널에 약 60nm의 구멍이 남습니다. 비계 구조의 중심. 결과적으로, NPC 내부의 단백질 구조적 상태는 파악하기 어려운 상태로 남아 있으며, 이는 기능적 상태에서 FG 도메인의 형태에 대해 부분적으로 상충되는 여러 가지 가설을 초래했습니다. 전체 진핵생물 프로테옴의 약 30%가 본질적으로 무질서하기 때문에 세포에서 구조적 상태가 쉽게 연구되지 않는다는 문제는 NPC 생물학을 훨씬 뛰어넘습니다. 자기 공명 및 산란 기술13,14 외에도 정제되고 표지된 단백질의 단일 분자 형광은 용액 내 단백질의 형태를 조사하는 강력한 도구가 되었습니다. 고급 연구에 따르면 이러한 프로브를 미세 주입하면 세포에서 이것이 가능하다는 사실도 밝혀졌습니다. 그러나 NPC는 후기 유사분열과 간기의 핵 성장 중에만 조립되므로 라벨링에는 유전적 인코딩이 필요합니다. 그러나 GFP 또는 SNAP-tag33과 같은 자체 라벨링 단백질 태그와 같은 확립된 형광 단백질 기반 기술은 형광 라벨의 크기와 본질적으로 동일한 단백질에 대한 다중 거리 분포를 쉽게 추출할 수 없습니다. 라벨링의 자유가 제한적입니다.
0.5) and compactify in poor solvents (ν < 0.5)45. Flory’s theory can be further extended to describe densely grafted polymer brushes where ν ~ 1 (ref. 46). Note that the scaling law is derived for infinitely long homopolymers. Despite its limiting definition, the law has been applied to calculate an apparent scaling exponent for finite-length proteins30,47. In brief, the apparent scaling exponent captures a complex distance distribution in one number and thus provides excellent economy in describing how protein conformational changes are tuned by their environment./p> 0.5), reminiscent of the chain conformations in polymer melts12. On top of that, the presence of nuclear transport receptors, which exist in large quantities in the NPC49 (Extended Data Fig. 3e,f), and post-translational modifications (for example, glycosylation50 and phosphorylation), as well as transport cargos such as proteins and RNAs, could also contribute to good solvent conditions./p> 0.5) in which the FG domains adopt extended conformations compared with the collapsed solution state in vitro./p> 0.5). Our study removes much speculation about the conformational state of FG-NUPs in the NPC and provides a sound coarse-grained model with amino acid precision to explain the function of the permeability barrier. The measured apparent scaling exponent ν = 0.56 ± 0.03 disaccords with, for example, the polymer brush model46 (ν ~ 1) and the forest model24 (ν ~ 0.3), which describes the low charge-content, cohesive FG domain as a globular structure. Remarkably, we also showed that the parameterization based on in vitro reconstitution studies failed to reproduce a functional pore. Despite having similar permeability barrier properties as the intact NPC, the bulk condensate formed from phase separating NUP98 is an incomplete approximation of the actual permeability barrier, the materials properties of which are modulated by the anchoring of a distinct number of FG-NUPs with 3D precision on a half-toroidal NPC scaffold. In terms of nuclear transport selectivity, there are consequences: whereas a surface condensate would leave a substantial hole at the centre, we found the hole to be filled by FG-NUPs at near-critical conditions (Fig. 4b). These results emphasize the importance of interrogating the permeability barrier in situ to reconcile different transport models and understand the molecular basis for nuclear transport./p> 
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