《Nature》核孔复合体的双向运输路径之谜被揭开

时间：2025年3月20日

来源：Nature

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本研究聚焦于核孔复合体（NPC）的核质交换机制，利用MINFLUX技术首次同时监测核输入和输出过程，揭示了核孔中央区域存在重叠的双向运输路径，且运输过程高度受限，具有显著的结构约束和短暂的停顿现象，为理解核质交换的分子机制提供了重要见解

细胞内的核孔复合体（NPC）是介导核质交换的关键结构，其核质交换过程涉及大量蛋白质和核酸的双向运输。然而，目前对于NPC中大分子穿越的三维纳米空间动力学仍缺乏清晰的认识，尤其是在毫秒级运输事件的时间尺度上，其运输路径是否存在分离以避免碰撞等问题亟待解决。为此，美国德克萨斯 A&M 大学的研究人员开展了相关研究，利用MINFLUX技术成功揭示了核孔中央区域存在重叠的双向运输路径，且运输过程极为缓慢，充满停顿，这一发现为理解核质交换的分子机制提供了重要见解，相关成果发表在《Nature》杂志上。

核孔复合体（NPC）是真核细胞核膜上的重要通道，负责介导小分子和大分子蛋白质及核酸的双向运输。其内部的无序多肽网络构成了通透性屏障，并为运输货物的核运输受体（NTRs）提供结合位点。以往的研究认为，核输入和输出路径的分离可能是避免运输过程中碰撞和反向运动的优雅解决方案。然而，由于技术限制，直接观察核孔中大分子的三维纳米空间动力学一直是个难题。MINFLUX技术的出现为解决这一问题提供了可能，其能够在单分子水平上实现高时空分辨率的定位和跟踪，且光漂白程度低。

研究人员首先利用3D MINFLUX技术确定了核孔支架的位置，然后同时监测了核输入和核输出过程。实验结果显示，核输入和输出过程均发生在核孔中央区域的重叠区域内，且运输路径偏好于直径约为40 - 50纳米的环形区域，几乎不涉及环形运动，表明运输过程受到通透性屏障的活动依赖性限制。此外，核孔内的运动速度比溶液中的运动速度慢约1000倍，且运动过程中存在停顿，这表明核孔内的环境高度受限，存在结构约束和/或短暂的结合事件。

在实验中，研究人员使用了3D MINFLUX技术对核孔复合体进行了高时空精度的成像和跟踪。他们首先在U2OS细胞核底部的核孔上进行了成像，利用自发闪烁染料HMSiR标记的抗GFP纳米抗体与NUP96 - mEGFP结合，实现了对核孔的精确定位。随后，研究人员对核输入蛋白α（Imp α）进行了跟踪，该蛋白在核输入和输出过程中均发挥重要作用。通过MINFLUX技术，研究人员能够以毫秒级的时间分辨率跟踪Imp α的运动轨迹，并分析其在核孔中的行为。

研究结果显示，核输入和输出过程均在核孔的同一区域发生，且运输路径存在显著的重叠。这一发现与以往认为核输入和输出路径分离以避免碰撞的假设不符。此外，研究人员还发现，核孔内的运输过程极为缓慢，运动速度比在溶液中慢约1000倍，且存在短暂的停顿现象。这些停顿可能反映了运输过程中的一些重要生化反应，如运输复合物的组装和解体等。研究人员还通过体积校正的径向密度图分析了Imp β1的结合行为，发现Imp β1主要结合在核孔的外围区域，而核孔中心区域则几乎没有结合。这一结果表明，核孔的通透性屏障可以分为三个不同的环形区域，分别对应不同的结合行为。

本研究通过MINFLUX技术揭示了核孔复合体的核质交换机制，为理解核孔的分子运输机制提供了重要的结构和动力学信息。核孔中央区域存在重叠的双向运输路径，且运输过程受到显著的结构约束和短暂停顿的影响。这些发现不仅有助于深入理解核孔的生理功能，还为相关疾病的治疗提供了潜在的靶点。未来的研究将进一步探索核孔通透性屏障对其他运输受体和运输途径的不同功能特性，以及核孔在细胞生理过程中的其他重要作用。