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将蛋白质的行为可视化!AlphaFold揭示了核孔的形状和运动,一个大型的蛋白质复合体。

医疗

三个要点
✔️ AlphaFold2, a protein 3D structure prediction algorithm, was released by DeepMind, a subsidiary of Google (Alphabet)
✔️ AlphaFold2 reveals the near-complete 3D structure of the nuclear pore complex (NPC)
✔️ Structure analysis enables molecular dynamics simulations in microseconds

Artificial intelligence reveals nuclear pore complexity
written by Shyamal MosalagantiAgnieszka Obarska-KosinskaMarc SiggelBeata TuronovaChristian E. ZimmerliKatarzyna BuczakFlorian H. SchmidtErica MargiottaMarie-Therese MackmullWim HagenGerhard HummerMartin BeckJan Kosinski
(Submitted on October 27, 2021.)
Comments: Published on bioRxiv.

Subjects: Computer Vision and Pattern Recognition (cs.CV)

本文所使用的图片要么来自论文、介绍性幻灯片,要么是参考这些图片制作的

摘要

核孔复合体(NPCs)介导物质进出细胞核的运输。120兆道尔顿的NPC结构是一个庞大而复杂的结构,人们对其了解甚少,但在此我们提出一个几乎完整的结构模型。

在这项研究中,我们将基于人工智能的结构预测与原位和细胞冷冻电子断层成像相结合,进行综合建模。结果显示,连接物核蛋白(Nups)在亚复合体内部和之间形成了一个支架,以构建更高层次的结构。微秒级的分子动力学模拟表明,该支架负责打开中心孔,而不是稳定内、外核膜的融合。这项研究表明,基于人工智能的建模和结构生物学的结合可以用来理解细胞内结构。

简介

上图摘自《人类核孔复合体的原位结构分析》(von Appen et.al , 2015)。

核孔复合体(NPCs)对细胞核和细胞质之间的运输至关重要,也在真核生物的细胞内活动中发挥着重要作用。NPC是一个大而复杂的蛋白质复合物,大约有120 MDa,这使得它极难研究。

NPC由两个外环,即细胞质环(CR)和核环(NR),以及一个内环组成。每个环由八个辐条组成,围绕着一个40-50微米宽的传输通道。

人类的NPC包含大约30种不同的核蛋白(Nups)的约1000个拷贝,这些核蛋白被分为亚复合体。这些子复合物结合起来形成高阶结构,这是由被称为Nup链接器的灵活蛋白质实现的。

目前的结构模型有内在的缺陷,因为它们不包括所有的Nups,并使用同源性来确定结构。此外,在非人类生物体中,NPCs的复杂性大大降低,使其无法适用于人类研究。

在本文中,我们将低温电子断层扫描(cryo-ET)与基于人工智能的结构预测结合起来,使用孤立的核包络(NEs)和原位的人类NPCs。因此,我们能够以前所未有的精确度估计人类NPC支架的三维结构。此外,基于人工智能的模型被证明与X射线晶体学、冷冻电子显微镜和一个未发表的蛋白质的补充数据是一致的。

结果

*译者注。材料和方法部分不包括在手稿中。为了预印,"参见方法 "部分被标记为 "错误!未找到参考源"。

人类NPC支架的一个近乎完整的模型

以前发表的人类NPC结构模型的完整性受到电子断层扫描的分辨率和Nups的未知结构的限制。因此,我们从HeLa细胞中纯化了核膜,并进行了低温ET分析,生成了一个数据集。我们还从通过低温聚焦离子束(cyro-FIB)变薄的细胞中获得了低温ET图,形成了一个数据集。

为了建立人类Nups结构的模型,我们使用了AlphaFoldRoseTTAfold,发现大多数Nups都可以被建立起高度的模型。我们通过与未公布的Nups的X射线晶体学结果进行比较,进一步验证了该模型的准确性。

作者试图用ColabFold(谷歌Colab上提供的AlphaFold)对Nups进行建模。该结果与已发表和未发表的X射线晶体学结果一致。

从上述内容来看,作者成功地从低温ET图像和基于人工智能的结构模型中构建了一个几乎完整的人类NPC模型。通过将一个名为Assembline的程序应用于预测的Nups结构,他们能够对处于收缩和扩张状态的NPCs进行建模。

揭示的NPC的结构如下所示。

这个模型还显示,Nup93在CR(细胞质环)和NR(核环)中都架起了Y复合体的桥梁,这在以前是未知的。我们还发现,核孔含有其他结构,是mRNA运输的最佳选择。

链接器Nups有助于高阶结构的空间组织

追踪软体(无数结构)蛋白质的三维运动轨迹和相关的质量转移一直是一项具有挑战性的任务。作者还通过对本文模型所揭示的结构进行粗粒度或细粒度的分析,成功地近似了连接体Nups的轨迹。

结果表明,Nups35的连接区在IR(内环)的辐条之间起到了桥梁作用。该Nups35桥被发现是唯一可以在NPC的收缩或扩张状态下采取的几何排列,这表明Nups35作为一个组织者,使IR沿着膜表面水平地建立起来。

上图说明了人类NPC中蛋白质连接体的连接性。

用于调整内环和外环接触点的跨膜毂

已知人类NPCs中存在三个跨膜Nups,但它们的确切位置尚不清楚。同样,通过基于人工智能的建模和对EM地图的拟合,它们的位置被清楚地确定了。

如上图所示,人类NPCs中的膜结合图案分布在整个支架上,Aladin和NDC1与Nup155一起形成一个跨膜枢纽。

NPC脚手架可以在没有膜张力的情况下防止膜的收缩

人们认为NPC支架的结构已经进化出不同的图案,以稳定内、外核膜融合处的膜。为了研究支架结构对膜折叠的贡献,进行了分子动力学模拟。结果显示,没有支架的孔径比有支架的孔径要小。这意味着核膜正在推动支架结构,与以前的实验结果一致。相反,NPC支架的功能是扩大核膜的直径。

讨论和结论

作者成功地构建了两个人类NPCs的近乎完整的模型,一个在纯化的核膜上处于收缩状态,另一个在细胞内处于扩张状态。这个模型揭示了Nups的几个以前未知的结构域、蛋白质和功能。

该模型将为进一步研究NPCs的动态和功能提供基础,允许对诸如NPCs如何与核膜互动以及它们如何对机械刺激做出定量和预测性的陈述。

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