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非洲爪蟾（Xenopus laevis）作为一种经典的脊椎动物模型，其胚胎发育过程与人类器官形成过程相似，被广泛地应用于DNA损伤应答、细胞凋亡、免疫和炎症反应以及再生和可塑性的研究。

真核生物的细胞核由双层的核膜（NE）包裹，核孔复合物（NPC）在核膜中形成一个通道，用于在细胞质和细胞核之间选择性交换大分子。NPC是具有8倍对称性的圆柱形组件，其组成部分与许多人类疾病有关，包括癌症、病毒感染等。NPC是真核细胞中最庞大、最复杂的分子机器之一，将NPC中的许多蛋白质组装成正确的三维分子结构一直是一个巨大的挑战。

2022年6月10日，西湖大学施一公团队在Science杂志发表研究论文《非洲爪蟾核孔复合物细胞质环的结构》（Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex）。

该研究聚焦于非洲爪蟾核孔复合物（NPC）结构，首次扩展了脊椎动物细胞质环（CR）亚单位复合体模型的分子量，获得高分辨率的单粒子冷冻电镜显微结构。除了解析Y复合物，同时发现5个核孔蛋白Nup358、2个Nup205和2个Nup93构成了CR的关键组分，揭示了CR核孔蛋白间的界面，为展示NPC的精细分子结构是如何设计和组装，探索NPC的功能和病理过程提供了新的视角！

图 1：来源Science

核孔复合物的前生今世

核孔复合物（NPC）作为分子量巨大的细胞机器之一，由细胞质丝、细胞质环（CR）、内环（IR）、核环（NR）、核篮（NB）和腔环（LR）组成，其分子量高达100 MDa，因此如何克服技术障碍获取其精细结构，了解其作用机制一直是结构生物学家们的关注点。

在过去二十年中，结构生物学家们将单个核孔蛋白和亚复合体的X射线结构与低温电子断层成像重建相结合的综合建模，逐步地增进了人们对NPC的了解。

本研究利用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）对非洲爪蟾卵母细胞中的NPC结构进行探索，结合以往的研究结果，加强了蛋白样品制备，优化冷冻电镜图片的采集，并开发出有效的数据处理策略，获得高分辨率的NPC结构。

该结构的核心和Nup358区域的平均分辨率分别提高到3.7 Å和4.7 Å，其中核心区域的最高局部分辨率达到3.3 Å。此外，该蛋白结构的N端α-螺旋结构域Nup358部分，其分辨率高达3.0 Å。

这无疑是一个振奋人心的研究结果，如此庞大的核孔复合物具有如此之高的分辨率，为了解NPC的精细结构打了一剂强心针。

图2：非洲爪蟾核孔蛋白的细胞质环总体结构示意图

核孔复合物的组装细节

细节决定成败，天下大事必做于细。在结构生物学领域研究中，获得精细的结构便是成功了一半。

当获得了高分辨率的非洲爪蟾NPC结构后，发现每个CR亚单位具有两个Y形多组分复合物，称为内Y复合物和外Y复合物。CR中的16个Y复合体，8个内部和8个外部Y复合体，以头到尾的方式组装，以近端和远端同心的形式构建支架。Y复合体由短臂（Nup85、Nup43和Seh1）、长臂（Nup160和Nup37）和茎（Nup96、Sec13、Nup107和Nup133）组成。

随后，本研究继续将步伐迈向了探索其细节的过程，鉴定了Nup358、Nup205和Nup93是CR支架的组成部分，CR亚单位模型包含30个核孔蛋白中的19037个氨基酸。

令人惊讶的是，Nup160的短臂、长臂分别和Y复合体的茎相交。两个相互不接触的Nup205利用构象弹性，通过不连续的界面，分别结合内部和外部Y复合体。两个Nup93均包含一个N末端延伸的螺旋和一个ACE1结构域，桥接Y复合物和Nup205。Nup93和Nup205共同负责着相邻CR亚单位之间的接触作用。五个Nup358分子，每个分子的形状形似虾尾巴，因此获名“钳子”，参与维持NPC结构的稳定组装。

总之，Nup358，Nup205和Nup93是形成CR的关键结构组分，为解释NPC在细胞周期中会进行组装和拆卸的机制提供了充分的证据！

图3：来源Science

持久且深入的核孔复合物研究

早在2020年，施一公团队便将目光投向非洲爪蟾的核孔复合物研究领域，克服巨大的技术障碍，逐步揭开核孔复合物的神秘面纱，从初步确认整体结构再到深入地刻画复合物细节，为研究核孔复合物画上浓墨重彩的一笔！

2020年5月4日，施一公团队（西湖大学为第一单位）在Cell Research杂志发表研究论文《非洲爪蟾核孔复合物腔环的分子结构》（Molecular architecture of the luminal ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex），该研究报告了非洲爪蟾卵母细胞的NPC的腔环（LR）的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结构。通过单粒子低温电子显微镜（cryo-EM）分析独立确认LR的关键结构特征，该研究首次揭示了LR以前未知的特征，为解释NPC的弹性提供了直观的基础。

图片来源：Cell Research

与此同时，施一公团队（清华大学为第一单位）对非洲爪蟾的核孔复合物的组装和工作细节进行了更为细致的探索，2020年5月6日在Cell Research杂志发表研究论文《通过冷冻电镜单粒子分析解析非洲爪蟾核孔复合物细胞质环的结构》（Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex by cryo-electron microscopy single particle analysis）。

该研究解析了非洲爪蟾NPC的胞质环（CR）的单粒子冷冻电子显微镜结构，其整体结构平均分辨率为5.5 Å，包含Nup358区域7.1 Å，Nup214区域7.9 Å，局部分辨率达4.5 Å。在如此高分辨率下，更加清晰准确地将基本的蛋白二级结构和大部分的CR组分修入模型当中。

图片来源：Cell Research

2022年2月17日，施一公团队在Cell Research在线发表题为《非洲爪蟾核孔复合物核环的冷冻电镜结构》（Cryo-EM structure of the nuclear ring from Xenopus laevis nuclear pore complex）的研究论文，该研究展示了非洲爪蟾NPC核质环（NR）亚基的单粒子冷冻电镜结构，平均分辨率为5.6 Å。

该研究阐释了NR的基本构成，并结合团队之前对NPC中胞质环（CR）和内环（IR）的结构研究，为全面理解NPC的组装机制和功能奠定了重要基础。