作者:苏黎世联邦理工学院彼得·吕格 核孔复合体(橙色结构)，其中一些正在组装过程中，是细胞中最大的蛋白质复合体
荣誉:新西伯利亚分子和细胞生物学研究所的奥尔加·波苏克 由卡斯滕·维斯领导的一组ETH研究人员首次开发了一种方法，使他们能够详细研究大型蛋白质复合物的组装过程
作为他们的案例研究，生物学家选择了最大的细胞复合体之一:酵母细胞中的核孔复合体
细胞产生大量的蛋白质复合物，每个复合物由许多单独的蛋白质组成
这些蛋白质复合物，例如核糖体，是调节细胞几乎所有维持生命的生物功能的物质
生物学家已经成功地确定了许多这种复合物的结构，但迄今为止对单个蛋白质如何组装然后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细胞中这些反应发生的确切过程，特别是在涉及大的复合物时
由卡斯滕·维斯和苏黎世联邦理工学院生物化学研究所的研究助理叶夫根尼·奥尼申科领导的一组联邦理工学院研究人员现在提出了一种新的方法
他们的方法使得以高时间分辨率跟踪蛋白质复合物装配体的动力学成为可能，即使是非常大的装配体
这项研究刚刚发表在《细胞》杂志上
灵感来自代谢分析 联邦理工学院的研究人员称他们的新方法为KARMA，它代表大分子集合中结合率的动力学分析，并基于研究代谢过程的方法
研究新陈代谢的科学家在他们的工作中长期使用放射性碳
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标记葡萄糖分子，然后细胞吸收并代谢
放射性标记使研究人员能够跟踪葡萄糖分子或其代谢物在何时何地出现
“这种类型的研究启发我们应用类似的原理来探索蛋白质复合物组装过程中发生的反应，”维斯解释说
在他们的方法中，联邦理工学院的研究人员使用标记的氨基酸，这是蛋白质的基本组成部分，含有较重的碳和氮同位素
在酵母细胞培养物中，研究小组用较重的氨基酸替代了较轻的氨基酸
酵母在蛋白质合成中使用这些重氨基酸，这改变了所有新产生蛋白质的分子量
一个复杂集合的时间尺度 为了分离蛋白质复合物，研究人员定期从培养物中取出酵母细胞，并使用质谱法测量含有较重氨基酸的分子和不含较重氨基酸的分子之间的微小重量差异
这表明复合体中蛋白质的年龄
基本上，蛋白质越老，就越早被整合到复合物中
基于这些年龄差异，研究人员应用动力学状态模型来最终重建给定蛋白质复合物的精确装配序列
作为验证他们方法的案例研究，维斯和他的团队选择了酵母细胞中的核孔复合体
这种结构有大约500到1000个元素，由大约30种不同的蛋白质组成，每种蛋白质都有多个拷贝，因此它是已知最大的蛋白质复合物之一
使用KARMA，ETH生物化学家能够获得哪些模块集成到结构中以及何时集成的详细地图
他们的发现之一是一个层级原则:单个蛋白质在很短的时间内形成亚单位，然后以特定的顺序从中心向外组装
耐用脚手架 “我们第一次证明了一些蛋白质在孔复合体的组装中使用得非常快，而另一些蛋白质在大约一小时后才被整合
这是一个非常长的时间，”维斯说
一个酵母细胞每90分钟分裂一次，这意味着它需要几乎整整一代人来完成这个重要的孔复合体的组装
与酵母繁殖周期相比，为什么新气孔的组装需要这么长时间还不清楚
联邦理工学院的研究人员还表明，一旦孔的组装完成，复合物的部分就非常稳定和耐用——例如，在内部支架中，在其生命周期内几乎没有任何组件被替换
相反，核孔复合体外围的蛋白质经常被替换
有缺陷的核孔会导致疾病 核孔是细胞中最重要的蛋白质复合物，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，它们将信使核糖核酸从细胞核运输到细胞核外的细胞机器，这需要这些分子作为新蛋白质的蓝图
此外，核孔在人类疾病中起着直接和间接的作用
因此，核孔及其蛋白质的变化会影响白血病、糖尿病或阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的发展
“不过，总的来说，毛孔缺陷导致这些疾病模式的原因还没有被很好地理解，”维斯说，并解释说KARMA可能有助于在未来对这些问题获得更深入的了解
多功能平台 “虽然我们在这项研究中只将KARMA应用于一种蛋白质复合物，但我们对其未来的应用感到兴奋
维斯说:“我们的方法现在将使我们能够破译一系列生物过程的序列。”
例如，他们的技术可以用于研究新冠肺炎病毒等病毒感染周期中发生的分子事件，并有可能帮助找到打破这一周期的候选新药
这种新方法也可以应用于蛋白质以外的其他生物分子，如核糖核酸或脂质
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