5月31日，來自清華大學生命科學學院隋森芳院士團隊在國際頂尖期刊Nature上發(fā)表了題為“Nuclear export of the pre-60S particles through nuclear pore complex“核糖體前體大亞基通過核孔復合體的出核轉運的最新研究成果，該成果解析了處于NPC孔道內(nèi)核糖體前體（pre-60S）的高分辨結構，展示了pre-60S通過NPC孔道過程中構象和組成變化，闡述了NPC協(xié)助pre-60S進行出核轉運的分子機制，為進一步理解NPC轉運生物大分子的生理功能提供了重要的理論依據(jù)。

核孔復合體（NPC）是細胞內(nèi)最龐大且復雜的分子機器之一，是介導生物大分子進行核質(zhì)轉運的唯一通道，參與細胞內(nèi)眾多重要的生命活動，其功能的紊亂能夠引起包括癌癥在內(nèi)的多種嚴重的疾病。近年來，通過整合冷凍電鏡技術、X射線晶體學、質(zhì)譜學和人工智能等技術，NPC的三維結構正在逐步得到解析。然而，關于其核質(zhì)轉運的分子機制仍然是不清楚的。核糖體是NPC轉運的最具代表性的生物大分子組裝體之一，負責合成生命的基礎物質(zhì)——蛋白質(zhì)分子。核糖體的生物合成涉及200多個組裝因子的參與，是一個高度有序的調(diào)控過程。核糖體在成熟之前，其大小亞基的組裝首先起始于核仁區(qū)域，隨后在核仁和核質(zhì)中經(jīng)過一系列的加工過程，經(jīng)由NPC轉運至細胞質(zhì)中完成最后的成熟。近年來，科學家們已經(jīng)報道了許多核糖體前體的高分辨結構，幾乎涵蓋了細胞核和細胞質(zhì)組裝階段的主要步驟。然而，目前仍缺乏核糖體前體在NPC核質(zhì)轉運過程中的關鍵結構，這極大地阻礙了我們對核糖體在細胞內(nèi)成熟過程的理解。

不久前，隋森芳課題組利用冷凍電鏡單顆粒技術解析了酵母NPC的結構，把酵母NPC的內(nèi)環(huán)（Inner ring，IR）結構推進到近原子分辨率3.73埃，該工作是迄今為止酵母NPC內(nèi)環(huán)的最詳盡、最精確的結構模型。在此工作的基礎上，隋森芳課題組近期在NPC內(nèi)環(huán)的孔道里捕捉到被轉運生物大分子顆粒的結構信息。綜合運用生物化學和冷凍電子顯微學的研究手段證明，處于NPC孔道內(nèi)的生物大分子顆粒是核質(zhì)轉運過程中的核糖體前體pre-60S，并將pre-60S的結構分辨率解析到2.64埃（圖1a-c）。通過大量的統(tǒng)計學分析，該結構第一次揭開pre-60S顆粒在通過NPC孔道時的行為特征。孔道中pre-60S的表面結合了迄今為止報道的幾乎所有轉運因子，說明pre-60S的出核轉運是一個十分耗能且復雜的過程（圖1c-d）。結構分析顯示pre-60S在出核前后展現(xiàn)出明顯的差異性，主要表現(xiàn)為如下特征：組成上展示出大量組裝因子和轉運因子的結合與解離；結構上在L1 stalk（L1莖）、H38（核糖體RNA螺旋38）、ES27（核糖體RNA擴展片段27）和PTC（肽基轉移酶中心）區(qū)域也呈現(xiàn)出劇烈的構象變化（圖2）。

  圖1.pre-60S在NPC孔道內(nèi)的結構

  圖2.pre-60S在出核轉運過程中的構象變化

另外，上述轉運因子主要集中在pre-60S的subunit interface（亞基互作界面），通過與NPC孔道表面FG-repeats（苯丙氨酸-甘氨酸重復片段）的聯(lián)系介導了pre-60S與NPC的相互作用，并通過屏蔽rRNA表面的負電性促進pre-60S的出核轉運。pre-60S及其表面結合的轉運因子在NPC孔道內(nèi)的分布表明pre-60S的subunit interface朝向并貼著核孔壁進行核質(zhì)轉運，而且IR（核孔復合物的內(nèi)環(huán)）可能是該過程中的一個質(zhì)量檢查點。同時該研究還發(fā)現(xiàn)單個NPC孔道能夠同時轉運多個pre-60S顆粒，這種高效率的核質(zhì)轉運對于代謝旺盛的細胞來說也是非常必要的。基于以上研究結果，研究人員提出了關于pre-60S核質(zhì)轉運的模型。

  圖3.pre-60S顆粒經(jīng)由NPC進行出核轉運的分子機制

這些研究結果為進一步完善核糖體的加工成熟、深入理解NPC核質(zhì)轉運的強大生理功能提供了堅實的結構基礎，對核糖體和NPC兩大熱點、難點領域的交叉研究具有重大的促進作用，同時對理解相關疾病的發(fā)病機制以及研發(fā)相應的治療方案和特異性藥物也具有重要意義。