Cell论文解读！新方法首次详细揭示核孔复合物的组装过程

来源：生物谷

在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和挪威卑尔根大学的研究人员开发出一种方法，使得他们能够首次详细研究大型蛋白复合物的组装过程。作为他们的案例研究，他们选择了最大的细胞复合物之一：酵母细胞中的核孔复合物。相关研究结果近期发表在Cell期刊上，论文标题为“Maturation Kinetics of a Multiprotein Complex Revealed by Metabolic Labeling”。论文通讯作者为苏黎世联邦理工学院的Karsten Weis和Evgeny Onischenko。

图片来自Cell, 2020, doi:10.1016/j.cell.2020.11.001。

细胞会产生大量的蛋白复合物，每个复合物都是由许多单个蛋白组成的。这些蛋白复合物，比如核糖体，调节细胞中几乎所有维持生命的生物功能。
生物学家们已经成功地确定了许多这些复合物的结构，但是迄今为止，关于单个蛋白如何组装在一起并随时间变化的研究较少。迄今为止，传统的方法已被证明不足以研究这些反应在细胞中的确切过程，特别是涉及到大型蛋白复合物时。
他们的方法使得跟踪蛋白复合物组装的动态变化成为可能，即使是非常大的蛋白质复合物，也有很高的时间分辨率。
受代谢分析的启发
这些研究人员将他们的新方法称为KARMA（kinetic analysis of incorporation rates in macromolecular assemblies, 高分子组装中掺入速率的动力学分析），该方法是基于研究代谢过程的方法构建出来的。研究代谢的科学家们长期以来一直在他们的研究工作中使用放射性碳，例如，标记葡萄糖分子，然后细胞吸收并代谢放射性碳。这种放射性标记使得人们能够追踪葡萄糖分子或其代谢物出现的位置和时间点。
Weis解释说，“这种类型的研究启发我们将类似的原理应用于探索蛋白复合物组装过程中发生的反应。”
在他们的方法中，这些研究人员使用标记的氨基酸进行研究，这些氨基酸是蛋白的基本构成元件，含有较重的碳和氮同位素。在酵母细胞的培养物中，他们用较重的氨基酸替代较轻的氨基酸。酵母菌在蛋白合成中使用这些较重的氨基酸，从而使所有新产生的蛋白的分子量发生变化。
复合物组装的时间尺度
为了分离蛋白复合物，这些研究人员每隔一段时间就从培养物中取出酵母细胞，并采用质谱仪测量具有较重氨基酸的分子和不具有较重氨基酸的分子之间的微小重量差异。这表明了蛋白复合物中蛋白的年龄。基本上而言，年龄越大的蛋白，它被整合到复合物中的时间越早。基于这些年龄差异，他们应用动力学状态模型最终重建了特定蛋白复合物的精确组装顺序。
作为验证这种新方法的案例研究，Weis和他的团队选择了酵母细胞中的核孔复合物。这种结构大约有500到1000个组件，由大约30种不同的蛋白组成，每种蛋白都有多个拷贝，因此它是已知最大的蛋白复合物之一。
利用KARMA，这些研究人员能够获得说明哪些组件被整合到这种结构以及何时整合的详细图谱。他们的发现之一是层次原理（hierarchical principle）：单个蛋白在很短的时间内形成亚基，然后按照特定的顺序从中心向外围组装。
耐用的内部支架
Weis说，“我们首次证实，一些蛋白在组装核孔复合物的过程中非常快地发生整合，而其他蛋白则在大约一个小时后才被整合进去。这是一个令人难以置信的漫长时间。”酵母细胞每90分钟分裂一次，这意味着几乎需要整整一代人的时间才能完成这个重要的核孔复合物的组装。确切地讲，为什么新核孔的组装需要如此长的时间与酵母菌的繁殖周期有关，目前尚不清楚这一点。
这些研究人员还发现，一旦核孔组装完成，核孔复合物在内部支架中的的各个部分是高度稳定和耐用的，在其生命周期内几乎没有任何组件被替换。相比之下，核孔复合物外围的蛋白则经常被替换。
有缺陷的核孔促进疾病发生
核孔是细胞中最重要的蛋白复合物之一，这是因为它们负责细胞核和细胞质之间的物质和分子交换。例如，它们将信使RNA从细胞核运送到细胞核外的细胞机器，而这些细胞机器需要这些分子作为制造新蛋白的蓝本。
此外，核孔在人类疾病中起着直接和间接的作用。相应地，核孔及其蛋白的变化会影响白血病、糖尿病或阿尔茨海默病等神经退行性疾病的产生。Weis说，“不过一般来说，核孔缺陷导致这些疾病模式的原因还不是很清楚。”他解释说，KARMA可能有助于在未来更深入地了解这类问题。
多功能平台
Weis说，“虽然我们在这项研究中只将KARMA应用于一种蛋白复合物，但是我们对其未来的应用感到兴奋。我们的方法如今将使我们能够破译一系列生物过程发生的顺序。例如，他们的技术可用于研究病毒（如SARS-CoV-2）感染周期中发生的分子事件，并有可能帮助找到破坏该感染周期的新候选药物。”
这种新方法还可以应用于除蛋白以外的其他生物分子，如RNA或脂类。