Сложная архитектура «молекулярного гиганта» изучена более подробно, чем когда-либо прежде.

Молекулярный гигант и его недостающие ногти

Комплекс ядерных пор человека (ЯПК) представляет собой настоящий молекулярный гигант, расположенный на мембране, отделяющей ядро ​​от цитоплазмы. Он имеет форму круглой лепешки и служит воротами и контрольно-пропускным пунктом для молекул, которые путешествуют между цитоплазмой и ядром. Таким образом, NPC облегчает важные процессы в клетке, такие как экспрессия генов и трансляция. Ядерная транспортная система также играет роль во многих заболеваниях, включая нейродегенеративные расстройства, рак и вирусные инфекции.

Какова структура Всекитайского собрания народных представителей? Как склеены его белки? Как он связан с ядерной мембраной? На эти и другие вопросы теперь ответили Косинский группа в EMBL в Гамбурге и Центр структурной системной биологии (CSSB), бек И молоток 🔨 Лаборатории Института биофизики Макса Планка и сотрудники. Они создали наиболее полную модель NPC человека на сегодняшний день, объединив программное обеспечение для прогнозирования структуры белка AlphaFold2 с такими методами, как криоэлектронная томография, холодная одночастичная ЭМ и интегративное моделирование.

Для структурных биологов человеческий NPC представляет собой сложную, но захватывающую трехмерную головоломку, поскольку существует около 30 различных белков, каждый из которых присутствует в нескольких транскриптах. Это составляет около 1000 кусочков головоломки, которые образуют круглое ядро ​​с окружающими гибкими частями. На сегодняшний день самые точные модели ядра NPC человека покрыли только 46% структуры. Но теперь, на основе двух десятилетий предыдущих исследований в этой области, ученые создали новую модель строения NPC, покрывающую более 90% его ядра.

В то время как ранее предложенные модели NPC имели вакуоли и содержали некоторые белки только во фрагментах, новая модель устраняет большую часть этой неоднозначности.

«Это похоже на то, что вы разбираете электронное устройство и собираете его обратно. Всегда будут оставаться какие-то винты, и вы не знаете, где они должны быть», — сказал Ян Косински, глава группы EMBL. кто руководил расследованием. Теперь мы точно знаем, где они, что они делают и как».

Эксперименты и ИИ работают вместе

Как ученые достигли этого? Ключевым моментом было объединение нескольких экспериментальных и вычислительных методов. Это позволило ученым визуализировать NPC на разных уровнях и уровнях детализации.

Например, для моделирования общего силуэта NPC исследователи использовали криоэлектронную томографию. Используя эту технику, они смогли наблюдать NPC в их клеточной среде, а не изолированно. Более подробная информация о строительных блоках одного белка была раскрыта Альфа-фолд 2программа на основе искусственного интеллекта, которая предсказывает структуры белков, созданные компанией. глубокий ум.

«AlphaFold2 стал для нас прорывным моментом», — сказала Агнешка Обарска-Косиньска, исследователь с докторской степенью, которая выполняла молекулярное моделирование. «Раньше мы не знали структуру многих белков в NPC. Вы не можете собрать головоломку, если не знаете, как выглядят ее части. Но AlphaFold2 в сочетании с другими методами позволили нам предсказать эти формы».

Для дальнейшего уточнения картины исследователи использовали ColabFold, версию AlphaFold2, которая была модифицирована научным сообществом для моделирования взаимодействия между белками. Это позволило им визуализировать, как различные части головоломки объединяются в более мелкие подкомплексы, и как эти подкомплексы склеиваются вместе, образуя NPC.

Наконец, они собрали все части вместе с помощью программного обеспечения. сбор Разработан Косинский группаи подтверждены экспериментальными данными.

Полученная модель была настолько полной и подробной, что позволила исследователям создать молекулярные модели с временным разрешением, которые объясняют, как NPC и белки ядерной мембраны взаимодействуют, создавая стабильные поры, и как они реагируют на механические сигналы.

будущие тенденции

Эта работа стала огромным шагом вперед в исследованиях NPC, но еще многое предстоит изучить.

«Эта работа демонстрирует, как структурная биология будущего адаптирует клеточную биологию для создания атомарных моделей более крупных наборов молекул, которые выполняют разные функции в разных частях клетки», — сказал Мартин Бек. Герхард Хаммер соглашается: «Теперь мы можем рассмотреть вопрос о построении полной динамической модели NPC и моделировании ядерного переноса в атомных деталях».

В будущем Kosinski Group планирует разработать автоматизированные методы интеграции структурных и микроскопических данных с использованием AlphaFold2 и их программного обеспечения. сбор. Они планируют применить эти методы для изучения молекулярных процессов, вызывающих вирусные инфекции.

Изучение NPC в его сотовой среде также согласуется с целями новой программы EMBL.молекулы экосистемыцелью которого является изучение жизни в ее контексте.

Ссылка: Мосалагани С., Обарска-Косинска А., Зиггель М. и др. Предсказание структуры на основе искусственного интеллекта позволяет проводить комплексный структурный анализ ядерных пор человека. наук. 2022 г.; 376 (6598): eabm9506. Дуй: 10.1126 / Наука. абм9506

Эта статья была переиздана со следующего Материалы. Примечание: статья могла быть изменена по длине и содержанию. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с указанным источником.