Shi Yigong 氏と彼のチームが Science の表紙に登場: AI とクライオ電子顕微鏡が「原子レベル」の NPC 構造を解明、生命科学の画期的進歩

本文を始める前に、写真を見てみましょう。下の図では、写真の右半分に豊富な情報と明確な構造が表れていることがわかります。 2016 年のグラフの左半分は構造が単純で、表示される情報も少なくなっています。

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実際、上に示されているのは核膜孔複合体 (NPC) の画像です。核膜孔複合体は、約 1,000 個のタンパク質サブユニットから構成され、真核細胞の核と細胞質の間で高分子を活発に輸送する役割を担っています。また、核と細胞質を結ぶ唯一の双方向チャネルでもあります。 NPC は輸送を調整するだけでなく、転写、mRNA の成熟、スプライソソームとリボソームの組み立てなどの重要なライフ イベントを組織します。 NPC の強力な役割により、NPC は疾患の変異や宿主と病原体の相互作用において重要なポイントとなっています。

低解像度の完全な核膜孔構造と高解像度の核膜孔構成構造技術の開発により、細胞核膜孔はますます注目を集めるようになりました。しかし、この情報を活用して 30 種類以上のタンパク質のコピーを正しく組み立て、高解像度の 3 次元構造を構築することは、困難な課題でした。

本日、サイエンス誌は表紙特集として5本の論文を掲載しました。そのうち3本は共同でヒトの核膜孔複合体の原子レベルに近い解像度のクライオ電子顕微鏡構造を明らかにし、他の2本はアフリカツメガエルを用いた脊椎動物の核膜孔複合体の単一粒子クライオ電子顕微鏡画像を発表しました。この表紙記事では、複数の研究結果をつなぎ合わせて、原子レベルに近い人間の NPC のイメージを作り上げています。

論文アドレス: https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.add2210

この発見は、数十年にわたる生化学的再構築、X線結晶構造解析、質量分析、突然変異誘発、細胞生物学など、複数の研究に基づいています。人間の NPC は大幅に改良されたクライオ電子トモグラフィーを使用して再構築され、コンポーネントは人工知能技術を使用して正確にモデル化されました。他の研究では、単粒子クライオ電子顕微鏡の解像度が向上し、脊椎動物のNPCの二次構造要素と残基レベルの詳細を視覚化できるようになりました。この分子集合体は、古い核の足場から、さまざまな部分を結びつける結合タンパク質、そして核膜上の中央輸送チャネルに固定された細胞質フィラメントに至るまで、脊椎動物とヒトのNPCの構造に関する理解を深めます。

ここで報告された研究結果は、実験構造生物学と人工知能の双方に利益のある協力関係を示すものであり、生物学の微視的世界の探究における人類の新たな勝利です。さらに、進行中の解像度革命は、高分子アセンブリのアーキテクチャと設計原理を理解するための私たちの探求においてかけがえのないものであることが判明しています。

以下は、2022 年のヒト核膜孔複合体の断面図であり、対称コア (オレンジ) と細胞質フィラメント (黄色) を含む新たに分解されたコンポーネントが含まれています。

5つの研究論文

論文1: 核膜孔の細胞質面の構造

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9129

核膜孔複合体 (NPC) は、核細胞質輸送のための唯一の双方向チャネルです。近年、NPC の対称的なコア構造の解明が進んでいますが、mRNA 輸出のホットスポットや核ポリン関連疾患に関しては、非対称に分布する細胞質表面が依然として不明瞭です。

カリフォルニア工科大学などの研究者らは、生化学的再構成、結晶構造決定、クライオ電子トモグラフィー再構成、生理学的検証を組み合わせて得られたヒト細胞質面の複合構造を報告した。種特異的なモチーフは、進化的に保存された約 540 キロダルトンのヘテロ六量体細胞質フィラメント核孔タンパク質複合体を中央輸送チャネルの上に固定しますが、NUP358 五量体束の付着は、コート核孔タンパク質複合体の二重環配置に依存します。それらが明らかにする複雑な構造とその予測力は、mRNA 輸出と核ポリン疾患の分子基盤を解明するための豊富な基盤を提供します。

人間のNPCの細胞質面。

論文2: 核膜孔におけるリンカー骨格の構造

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9798

NPC の対称コアにおける構造化された足場核ポリンの配置は決定されているものの、多価の非構造化リンカー核ポリンを介したそれらの凝集は依然として不明です。

カリフォルニア工科大学の研究者らは、生化学的再構築、高解像度の構造決定、クライオ電子トモグラフィー再構築、および生理学的検証を組み合わせることで、進化的に保存されたリンカー足場構造を解明し、約 64 メガダルトンの対称性を持つ、ほぼ原子レベルで複雑なヒト NPC コアを生み出しました。リンカーは通常は堅固な役割を果たしますが、NPC のリンカー スキャフォールドは、中央輸送チャネルの可逆的な収縮と拡張、および側方チャネルの出現に必要な可塑性と堅牢性を提供します。彼らの研究結果は、NPC 対称コアの構造特性の解明を大きく前進させ、将来の機能研究の基礎を築くものです。

ヒトNPC の対称コアのリンカー スキャフォールド構造。

論文3: AIベースの構造予測によりヒト核膜孔の統合構造解析が可能に

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9506

核膜孔複合体 (NPC) は核細胞質輸送を媒介しますが、その複雑な 120 メガダルトンの構造は完全には解明されていません。マックス・プランク生物物理学研究所およびその他の研究機関の研究者らは、明確な膜と複数の立体配座状態を備えたヒトNPCスキャフォールドの70メガダルトンモデルを報告した。

彼らは、AI ベースの構造予測と、原位置および細胞クライオ電子トモグラフィー、および包括的なモデリングを組み合わせました。この結果は、アダプター核ポリンがサブ複合体内およびサブ複合体間で足場を組織化し、高次構造を確立することを示唆しています。マイクロ秒単位の分子動力学シミュレーションにより、足場は内核膜と外核膜の融合を安定化させるために必要なのではなく、むしろ中央の孔を拡大するために必要なことが明らかになりました。これらは、AI ベースのモデリングを in situ 構造生物学と組み合わせて、空間組織レベルにわたる細胞内構造を理解する方法を示しています。

ヒト NPC スキャフォールド構造の 70 メガダルトン モデル。

論文4: アフリカツメガエル核膜孔複合体の細胞質リングの構造

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl8280

ウェストレイク大学と清華大学は、アフリカツメガエルのNPCの細胞質リングサブユニットの単粒子クライオ電子顕微鏡再構成を3.7～4.7オングストロームの解像度で実施しました。その中で、Nup358のアミノ末端ドメインの構造は3.0Åまで解明され、各細胞質リングサブユニット内の5つのNup358分子の同定が容易になりました。

研究者らが最終的に作成した細胞質リングサブユニットのモデルには、5 つの Nup358 分子、2 つの Nup205 分子、2 つの Nup93 分子、および以前に特徴付けられた 2 つの Y 複合体が含まれています。 Nup160 のカルボキシル末端フラグメントは、各 Y 複合体の頂点における組織化中心として機能します。構造解析により、Nup93、Nup205、および Nup358 が、主に Y 複合体の 2 つの層によって形成される細胞質リング スキャフォールドの組み立てをどのように促進および強化するかが明らかになりました。

アフリカツメガエルNPCの二重層細胞質リングのクライオ電子顕微鏡構造。

論文5: 統合クライオ電子顕微鏡とAlphaFoldによる核膜孔複合体の細胞質リングの構造

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9326

ハーバード大学医学部およびその他の研究機関の研究者らは、単粒子クライオ電子顕微鏡法と AlphaFold 予測法を使用して、アフリカツメガエル卵母細胞におけるほぼ完全な NPC 細胞質リング構造を決定しました。具体的には、研究者らは AlphaFold を使用して核ポリンの構造を予測し、顕著な二次構造密度をガイドとして使用して中解像度のマップを適合させました。

さらに、AlphaFold を使用した複雑な予測を通じて、いくつかの分子相互作用がさらに確立または確認されました。研究者らは、輸送に使用されるPhe-Gly反復配列を持つ最大のNPCサブユニットであるNup358の5つのコピーの結合パターンを決定した。彼らは、Nup358 には、特定の条件下で NPC 形成の核形成中心として機能するのに役立つ活性を提供するコイルドコイルドメインが含まれていると予測しました。

アフリカツメガエルNPCの細胞質リングのクライオ電子顕微鏡構造。