Cell論文解讀！新方法首次詳細(xì)揭示核孔復(fù)合物的組裝過程

來源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2020-12-30 15:54:00【大中小】

在一項(xiàng)新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和挪威卑爾根大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種方法，使得他們能夠首次詳細(xì)研究大型蛋白復(fù)合物的組裝過程。作為他們的案例研究，他們選擇了最大的細(xì)胞復(fù)合物之一：酵母細(xì)胞中的核孔復(fù)合物。相關(guān)研究結(jié)果近期發(fā)表在Cell期刊上，論文標(biāo)題為“Maturation Kinetics of a Multiprotein Complex Revealed by Metabolic Labeling”。論文通訊作者為蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Karsten Weis和Evgeny Onischenko。

細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的蛋白復(fù)合物，每個(gè)復(fù)合物都是由許多單個(gè)蛋白組成的。這些蛋白復(fù)合物，比如核糖體，調(diào)節(jié)細(xì)胞中幾乎所有維持生命的生物功能。

生物學(xué)家們已經(jīng)成功地確定了許多這些復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，但是迄今為止，關(guān)于單個(gè)蛋白如何組裝在一起并隨時(shí)間變化的研究較少。迄今為止，傳統(tǒng)的方法已被證明不足以研究這些反應(yīng)在細(xì)胞中的確切過程，特別是涉及到大型蛋白復(fù)合物時(shí)。

他們的方法使得跟蹤蛋白復(fù)合物組裝的動(dòng)態(tài)變化成為可能，即使是非常大的蛋白質(zhì)復(fù)合物，也有很高的時(shí)間分辨率。

受代謝分析的啟發(fā)

這些研究人員將他們的新方法稱為KARMA（kinetic analysis of incorporation rates in macromolecular assemblies, 高分子組裝中摻入速率的動(dòng)力學(xué)分析），該方法是基于研究代謝過程的方法構(gòu)建出來的。研究代謝的科學(xué)家們長(zhǎng)期以來一直在他們的研究工作中使用放射性碳，例如，標(biāo)記葡萄糖分子，然后細(xì)胞吸收并代謝放射性碳。這種放射性標(biāo)記使得人們能夠追蹤葡萄糖分子或其代謝物出現(xiàn)的位置和時(shí)間點(diǎn)。

Weis解釋說，“這種類型的研究啟發(fā)我們將類似的原理應(yīng)用于探索蛋白復(fù)合物組裝過程中發(fā)生的反應(yīng)。”

在他們的方法中，這些研究人員使用標(biāo)記的氨基酸進(jìn)行研究，這些氨基酸是蛋白的基本構(gòu)成元件，含有較重的碳和氮同位素。在酵母細(xì)胞的培養(yǎng)物中，他們用較重的氨基酸替代較輕的氨基酸。酵母菌在蛋白合成中使用這些較重的氨基酸，從而使所有新產(chǎn)生的蛋白的分子量發(fā)生變化。

復(fù)合物組裝的時(shí)間尺度

為了分離蛋白復(fù)合物，這些研究人員每隔一段時(shí)間就從培養(yǎng)物中取出酵母細(xì)胞，并采用質(zhì)譜儀測(cè)量具有較重氨基酸的分子和不具有較重氨基酸的分子之間的微小重量差異。這表明了蛋白復(fù)合物中蛋白的年齡。基本上而言，年齡越大的蛋白，它被整合到復(fù)合物中的時(shí)間越早。基于這些年齡差異，他們應(yīng)用動(dòng)力學(xué)狀態(tài)模型最終重建了特定蛋白復(fù)合物的精確組裝順序。

作為驗(yàn)證這種新方法的案例研究，Weis和他的團(tuán)隊(duì)選擇了酵母細(xì)胞中的核孔復(fù)合物。這種結(jié)構(gòu)大約有500到1000個(gè)組件，由大約30種不同的蛋白組成，每種蛋白都有多個(gè)拷貝，因此它是已知最大的蛋白復(fù)合物之一。

利用KARMA，這些研究人員能夠獲得說明哪些組件被整合到這種結(jié)構(gòu)以及何時(shí)整合的詳細(xì)圖譜。他們的發(fā)現(xiàn)之一是層次原理（hierarchical principle）：?jiǎn)蝹€(gè)蛋白在很短的時(shí)間內(nèi)形成亞基，然后按照特定的順序從中心向外圍組裝。

耐用的內(nèi)部支架

Weis說，“我們首次證實(shí)，一些蛋白在組裝核孔復(fù)合物的過程中非常快地發(fā)生整合，而其他蛋白則在大約一個(gè)小時(shí)后才被整合進(jìn)去。這是一個(gè)令人難以置信的漫長(zhǎng)時(shí)間。”酵母細(xì)胞每90分鐘分裂一次，這意味著幾乎需要整整一代人的時(shí)間才能完成這個(gè)重要的核孔復(fù)合物的組裝。確切地講，為什么新核孔的組裝需要如此長(zhǎng)的時(shí)間與酵母菌的繁殖周期有關(guān)，目前尚不清楚這一點(diǎn)。

這些研究人員還發(fā)現(xiàn)，一旦核孔組裝完成，核孔復(fù)合物在內(nèi)部支架中的的各個(gè)部分是高度穩(wěn)定和耐用的，在其生命周期內(nèi)幾乎沒有任何組件被替換。相比之下，核孔復(fù)合物外圍的蛋白則經(jīng)常被替換。

有缺陷的核孔促進(jìn)疾病發(fā)生

核孔是細(xì)胞中最重要的蛋白復(fù)合物之一，這是因?yàn)樗鼈冐?fù)責(zé)細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的物質(zhì)和分子交換。例如，它們將信使RNA從細(xì)胞核運(yùn)送到細(xì)胞核外的細(xì)胞機(jī)器，而這些細(xì)胞機(jī)器需要這些分子作為制造新蛋白的藍(lán)本。

此外，核孔在人類疾病中起著直接和間接的作用。相應(yīng)地，核孔及其蛋白的變化會(huì)影響白血病、糖尿病或阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的產(chǎn)生。Weis說，“不過一般來說，核孔缺陷導(dǎo)致這些疾病模式的原因還不是很清楚。”他解釋說，KARMA可能有助于在未來更深入地了解這類問題。

多功能平臺(tái)

Weis說，“雖然我們?cè)谶@項(xiàng)研究中只將KARMA應(yīng)用于一種蛋白復(fù)合物，但是我們對(duì)其未來的應(yīng)用感到興奮。我們的方法如今將使我們能夠破譯一系列生物過程發(fā)生的順序。例如，他們的技術(shù)可用于研究病毒（如SARS-CoV-2）感染周期中發(fā)生的分子事件，并有可能幫助找到破壞該感染周期的新候選藥物。”

這種新方法還可以應(yīng)用于除蛋白以外的其他生物分子，如RNA或脂類。