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核孔复合物（NPC）是真核细胞中最大的超分子复合物之一，负责介导细胞核与细胞质之间的物质运输。在酵母中分子量约为50 MDa，而在高等真核生物中则高达110–125 MDa。NPC的蛋白质成分被称为核孔蛋白（Nup），但由于其巨大的尺寸和构象灵活性，对其完整结构的解析一直充满挑战。2022年前后，西湖大学施一公教授团队在《Cell Research》期刊上连续发表四篇研究论文，利用冷冻电镜（cryo-EM）技术系统解析了非洲爪蟾（Xenopus laevis）核孔复合体的内环（IR）、核环（NR）、细胞质环（CR）和腔环（LR）的高分辨率结构，为理解NPC的组装和功能提供了前所未有的分子细节。

2022年3月18日，施一公与黄高兴宇作为共同通讯作者在《Cell Research》发表了题为“Cryo-EM structure of the inner ring from the Xenopus laevis nuclear pore complex”的研究论文。该研究展示了非洲爪蟾NPC内环（IR）亚基的单粒子冷冻电镜结构，平均分辨率为4.2 Å，局部分辨率可达3.8 Å。结构显示，Nup205同源二聚体位于IR亚基中心，两侧为两个Nup188分子；四个Nup93分子各自将其延伸螺旋插入Nup205或Nup188的轴向凹槽，共同构成中央支架。Nup62/58/54通道核孔蛋白异源三聚体锚定在中央支架上，而六个Nup155分子与NDC1-ALADIN异二聚体一起将IR亚基锚定到核膜和外环。稀疏的亚基间接触可能允许IR的构象和直径具有足够的自由度。该研究揭示了脊椎动物NPC IR亚基组装的分子基础。

2022年2月17日，同一团队在《Cell Research》在线发表了题为“Cryo-EM structure of the nuclear ring from Xenopus laevis nuclear pore complex”的论文。研究展示了非洲爪蟾NPC核环（NR）亚基的单粒子冷冻电镜结构，平均分辨率为5.6 Å。NR亚基由两个10成员的Y复合物组成，每个复合物的核孔蛋白ELYS与长臂的Nup160和Nup37密切相关。与CR或IR不同，NR亚基仅包含Nup205和Nup93各一个分子。Nup205结合Y复合物的两个臂并与相邻亚基的内部Y复合物的茎相互作用，Nup93连接内外Y复合物的茎并将其N端延伸螺旋放入相邻亚基Nup205的轴向凹槽中。结合其他结构信息，该研究生成了包括NR、IR和CR的中心环支架的复合原子模型。

2020年5月6日，施一公团队（清华大学为第一单位）在《Cell Research》发表了题为“Structure of the cytoplasmic ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex by cryo-electron microscopy single particle analysis”的研究。该研究介绍了非洲爪蟾NPC细胞质环（CR）的单粒子冷冻电镜结构，平均分辨率为5.5–7.9 Å，局部分辨率达到4.5 Å。改进的分辨率允许在大多数CR组件中标识和放置辅助结构元素。每个CR亚基中的两个Y复合物彼此相互作用并与侧翼亚基的Y复合物缔合，形成圆形支架。Nup205连接两个Y配合物的短臂，并与相邻Y配合物的茎相连。含有Nup214的区域使用延伸的卷曲螺旋连接两个Y络合物的Nup85，并突出到NPC的轴向孔中。这些以前未特征化的结构特征揭示了对NPC组装的深入了解。

2020年5月4日，施一公团队（西湖大学为第一单位）在《Cell Research》发表了题为“Molecular architecture of the luminal ring of the Xenopus laevis nuclear pore complex”的论文。该研究报告了非洲爪蟾卵母细胞NPC腔环（LR）的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）结构，并利用单粒子冷冻电镜分析独立确认了LR的关键结构特征。该研究揭示了LR以前未知的特征，并可能解释NPC的弹性。

核孔复合物（NPC）存在于所有真核细胞的核膜（NE）中并介导核质转运。脊椎动物NPC由四个圆形支架组成：细胞质环（CR）、内环（IR）、核环（NR）和腔环（LR）。IR位于NPC的中心层并桥接外环CR和NR。在四个环中，只有LR位于NE的管腔中。细胞质丝（CF）连接到CR并促进核质转运。NPC的结构研究已获得了关于NPC的单个核孔蛋白、亚复合物和环状支架的大量信息。

脊椎动物NPC具有非常大的分子质量，尽管具有8倍对称性，但仍显示出相当大的构象灵活性。这些方面使通过单粒子分析（SPA）对NPC进行冷冻电镜分析在技术上具有挑战性。因此，过去二十年中，通过亚断层平均（STA）的冷冻电子断层扫描（cryo-ET）一直是NPC结构研究的主要方法。人类NPC的IR亚基冷冻ET重建的最佳分辨率约为21 Å，此电镜图允许通过对接已知的X射线结构为人类NPC生成复合坐标。

IR支架的结构特征（图源自《Cell Research》）

采用冷冻电镜SPA方法，成功重建了非洲爪蟾NPC的CR亚基，局部分辨率约为5–8 Å。最近，依靠增强的样品制备和冷冻电镜分析方法，已将X. laevis CR亚基的局部分辨率显著提高到3.8 Å。二级结构元件和庞大的氨基酸侧链的详细特征可在部分核心区域中识别。

本研究报告中，X. laevis NPC IR亚基的冷冻电镜重建平均分辨率为4.2 Å，局部分辨率达到3.8 Å。电镜图允许对接X. laevis核孔蛋白的已知和预测结构以及二级结构元件的识别。基于电镜图，该研究生成了X. laevis IR亚基中30个核孔蛋白的原子坐标，其中包括19,315个氨基酸。这种结构揭示了脊椎动物IR亚基组装的基础。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41422-022-00633-x

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