Nat Plants | 转录和翻译协调平台——核孔复合体的研究

导读

真核细胞具有一个称为细胞核的独特区室，由双层脂质膜的核膜（NE）包围。跨越NE的是核孔复合体（NPCs），它们在选择性核质运输中起着重要作用。

NPC由约500到1000个核孔蛋白（Nups）组装而成，分为核心骨架和外围扩展部分。虽然NPC的核心骨架高度保守，但NPC的外围扩展部分在不同的真核生物中表现出显著的结构可塑性和成分差异，并且这些扩展部分已被报道参与调节许多独立的生物过程：

A）在病毒中，CF Nup, Nup358和Nup214，它们被证明可以与病毒成分相互作用并调节病毒复制和扩散的效率。

B）酵母CF Nups中的FG重复基序参与信使核糖核蛋白颗粒（mRNPs）的定位和重塑，从而可能影响下游的翻译调控过程。

然而，NPC外围扩展部分的结构仍然很大程度上未被探究。新兴证据支持NPC与多种蛋白质及蛋白质复合体相关，然而，目前对NPC在这种扩展水平上的核孔蛋白组成和功能的了解仍然有限，特别是在植物中。

2024年5月21日，美国加州大学伯克利分校植物与微生物学系Yangnan Gu团队在Nature Plants上发表了一篇题为“Proxiome assembly of the plant nuclear pore reveals an essential hub for gene expression regulation”的论文，文章报道了拟南芥中扩展的核孔相关蛋白质组的组装，详细研究了NPC作为一个高度集成的平台，协调了染色质重塑、转录和mRNA翻译调控等基因表达的多个步骤。

文章索引

【标题】：Proxiome assembly of the plant nuclear pore reveals an essential hub for gene expression regulation

【发表期刊】：Nature Plants

【发表时间】：2024年5月21日

【作者及团队】：美国加州大学伯克利分校植物与微生物学系Yangnan Gu团队

【IF】：18.6

研究结果

一. 使用邻近标记法分析核孔相关蛋白质组

为了深入研究植物核孔及其相关蛋白质，作者选择了拟南芥核孔蛋白Nup50a和CG1进行邻近标记（PL）蛋白质组分析。使用模拟处理的转基因植物和生物素处理的野生型植株作为对照，并进行生物学重复。

二. 剪接体被招募到核孔复合体的篮状结构

Nup50是一种定位于核篮（NB）的保守FG重复核孔蛋白。作者进行邻近标记蛋白质组学分析，发现其与其他NB核孔蛋白显著富集，证实其在拟南芥中的特定定位。

作者鉴定出33种显著富集的蛋白质，包括进口蛋白α（IMPAs）、剪接体成分和转录调节因子，表明NB可能参与mRNA合成和处理。

GO分析显示核骨架、核孔复合体核心支架和剪接体显著富集。蛋白质-蛋白质相互作用网络显示剪接体蛋白质间丰富的相互作用，支持核孔篮与剪接体复合物的关联。

三. 核孔复合体（NPC）的细胞质环富含翻译调控因子

GO分析显示，超过一半的候选蛋白与mRNA相关，涉及mRNA降解、运输、翻译和处理等功能。这表明mRNA在通过核孔运输到细胞质后，可能在NPC细胞质丝状结构附近受到翻译相关调控。

作者还发现一些转录调控因子和剪接体成分在CG1邻近组中，可能是由于CG1在NPC中具有多个定位或与mRNA结合蛋白共同运输。

相比之下，GBPL3邻近组主要包括与转录调控和新生mRNA处理相关的蛋白质，而CG1邻近组则主要集中在翻译和RNA稳定性调控上，显示了NPC核质侧和细胞质侧在蛋白质招募上的差异。

四. 核孔复合体（NPC）是基因表达调控的集成平台

作者鉴定了三个蛋白和多个伴侣蛋白和蛋白酶体成分，进一步确认了它们与NPC的关联。

通过整合Nup50a、CG1、Nup54、Nup188以及之前的五个PL蛋白质组学数据集，作者构建了包含拟南芥中32个核孔蛋白的NPC关联蛋白质组，共识别出582种独特蛋白。

分析显示，染色质重塑和转录调节因子主要富集在核篮，而mRNA翻译的调节因子主要富集在细胞质侧。这表明植物NPC在基因表达调控中起着重要作用，核篮整合了转录调控与mRNA剪接，细胞质侧则参与翻译抑制和mRNA稳定性调控。

五. NPC关联蛋白与核孔蛋白广泛相互作用

作者发现了NPC关联基因与核孔蛋白基因之间存在强烈的共表达模式，支持它们在功能上的联系。

通过实验证实了部分NPC关联蛋白与核孔蛋白的物理相互作用，但验证范围有限。

利用AlphaFold-Multimer进行结构建模和PPI预测，他们得到了81个高可信度的PPI模型，揭示了NPC关联蛋白与核孔蛋白之间的广泛相互作用，强调了NPC通过直接的蛋白质-蛋白质相互作用招募多种蛋白的潜在分子机制。

六. 相分离有助于NPC邻近组件的组装

NPC中的通道建立了一个相分离环境，有助于蛋白质和RNA的运输。超过70%的核孔蛋白含有内在无序区域（IDRs），而NPC关联蛋白组中IDR含量显著高于全基因组平均水平，暗示NPC周围可能存在相分离环境。

一些核孔蛋白和RNA结合蛋白能够形成核凝聚体，这与相分离驱动的生物分子凝聚体相似。NPC关联IDPs与核孔蛋白通过相分离相互作用，这可能受到NPC两侧蛋白质和核酸组成的调控。

总结

本文通过近距离标记蛋白质组学，在拟南芥中发现了包括500多种独特蛋白质的NPC关联蛋白组。这些蛋白质在核质区域集中了染色质重塑因子、转录调控因子和mRNA加工机器，而在细胞质侧招募了翻译调控机器，实现了遗传信息流的协调。

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