Only Perception: 第一張詳細的細胞核孔複合體圖誕生

2007-12-04

第一張詳細的細胞核孔複合體圖誕生

Multi-lab collaboration yields first detailed map of nuclear pore complex
http://www.physorg.com/news115917006.html

December 03, 2007

一個細胞的附膜細胞核（membrane-bound nucleus）包含了貴重的內容 -- 它的 DNA -- 所以得留神有哪些東西出入這個重要區域。為了辦到這件事，它將成千上百個核孔當成守門人，有選擇性的膜通道負責管控接近細胞 DNA 的物質以及告訴細胞該做哪些事與如何做這些事的訊號。

不過這些核孔的每一種結構如此龐大、如此具有彈性，以致於無法利用現有方讓人看見細節。現在，有二組具指標性的研究發表在 Nature 上，洛克菲勒（Rockefeller）的科學家們確定完成這個巨大的、擁有 450 個核孔的第一份完整分子圖像，而他們的發現讓我們得以瞥見細胞核本身一開始如何演化。

這個結構是 3 間實驗室，洛克菲勒的 Michael Rout 與 Brian Chait 以及 Andrej Sali（現於 UCSF）教授，在九年合作間的最高成就。Rout 是生物化學研究的先鋒，Chait 專攻基於質譜儀的鑑定以及蛋白質與蛋白質複合物的特性描述，而 Sali 則主管運算技術的創造，那能讀取所有的資料，然後將其置入數不盡的配置中，直到它發現適合的一個。與一個由博士後研究者、學生與技術人員所組成的團隊共同合作，該小組收集並分析大量資料以完成核孔結構的粗略草圖。

電腦將核孔的成份蛋白質約 20 萬種不同的配置進行分類，發現大約 1000 種可能的、十分相似的結構，那全都滿足實驗資料所提供的數千種限制（restraints）：諸如下一個可能是哪種蛋白質或著那個大蛋白質是否得與這個小的有所關連。Rout 描述它有點像是填字遊戲，當每種線索被解開時，那會漸漸連在一起。他們的解答，他說，讓他們看見每一個蛋白質的位置。

科學家的結果，讓他們得以一窺真核細胞的早期演化，這種細胞組成所有更高等的生物，從人類到植物到真菌。這些細胞在它們發展細胞核與其他特化胞器，那允許它們分隔細胞新陳代謝的不同方面，後與它們的祖先分離。而這些分隔可能是由膜與 coating complexes（塗層複合體）所構成。coating complexes 的作用「像小手」，Rout 說，來抓取、塑造與穩定膜。

藉由觀察核孔，他與他同事所能辨別的是，我們今日所擁有的精密核孔，直接由那些早期結構產生。

"我們認為一旦細胞獲得這種 coating complex，它們開始支持它、複製它與特化它，" 他說。這種複合體的不同版本在其他細胞膜上顯而易見，諸如內質網高氏體（Golgi），而且在它們之中很可能均扮演類似角色：抓取膜、彎曲它並協助它到處移動。

"演化是種複製與分歧的過程，" Rout 說。當他們將核孔中的蛋白質彩色編碼（color-coded）後，他們看見這個過程的明顯證據。彩色編碼的方法之一展現出交替條紋，如同輪上的輪幅：對每個蛋白質來說，那有另一個看起來相當類似。彩色以一種不同的方式在核孔的內、外環顯示相同的樣式，其中之一個看起來像另一個稍微修改過的複製。

這裡有複製的證據，Rout 說，證實複雜核孔的演化比先前所認為的更加直接了當。"它是由一個單元的同一主題的許多不同變化所製成。"

該團隊複合結構的每一部份都與電子顯微鏡照片和其他天然模型所點滴收集而來的證據相符。然而，不管它的細節為何，它仍只是個草圖。"這張圖只讓我們稍微了解核孔如何作用，不過我們想了解更多，" Rout 說。"核孔是通訊裝置，細胞核用它與細胞其他部份溝通。而你若不了解它如何運作，你就無法完整了解癌症如何運作或著一個單細胞如何變成人類，或著一粒麥實如何轉變成整株作物。你得將細胞視為一部機器，並理解它所有的零件。"

九年之後，Rout、Chait 與 Sali 更接近那種了解。而且為了幫助他人能夠到達那裡，他們協助由 NIH 資助的 National Center for Dynamic Interactome Research，由 Rout 領軍，以指導其他科學家通過這個程序。有了該中心的支援，研究者希望新的分子謎題只要花一年 -- 而非十年 -- 來解決。

※ 相關報導：

＊ Determining the architectures of macromolecular assemblies
http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7170/abs/nature06404.html

Frank Alber, Svetlana Dokudovskaya, Liesbeth M. Veenhoff,
Wenzhu Zhang, Julia Kipper, Damien Devos, Adisetyantari
Suprapto, Orit Karni-Schmidt, Rosemary Williams,
Brian T. Chait, Michael P. Rout & Andrej Sali
Nature 450, 683-694 (29 November 2007)
doi:10.1038/nature06404

＊ The molecular architecture of the nuclear pore complex
http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7170/abs/nature06405.html

Frank Alber, Svetlana Dokudovskaya, Liesbeth M. Veenhoff,
Wenzhu Zhang, Julia Kipper, Damien Devos,
Adisetyantari Suprapto, Orit Karni-Schmidt,
Rosemary Williams, Brian T. Chait, Andrej Sali &
Michael P. Rout
Nature 450, 695-701 (29 November 2007)
doi:10.1038/nature06405