Расшифровка структуры молекулярного гиганта

Сочетание AlphaFold2 с экспериментальными и вычислительными методами помогло учёным определить архитектуру комплекса ядерной поры человека с беспрецедентной детализацией.

Комплекс ядерной поры (NPC) человека — настоящий молекулярный гигант, расположенный на мембране, разделяющей ядро и цитоплазму. Он имеет форму пончика и работает как шлюз и контрольная точка для молекул, перемещающихся между цитоплазмой и ядром. Таким образом, NPC обеспечивает фундаментальные клеточные процессы, такие как экспрессия генов и трансляция. Система ядерного транспорта также играет роль в ряде заболеваний, включая нейродегенеративные расстройства, рак и вирусные инфекции.

Какова структура NPC? Как его белки скреплены вместе? Как он прикрепляется к ядерной мембране? На эти и другие вопросы теперь ответили группа Косиньского в EMBL Hamburg и Центре структурной системной биологии (CSSB), лаборатории Бека и Хаммера в Институте биофизики Макса Планка и их коллабораторы. Они создали наиболее полную на сегодняшний день модель человеческого NPC, объединив программу предсказания белковых структур AlphaFold2 с такими методами, как крио-электронная томография, крио-ЭМ отдельных частиц и интегративное моделирование.

Для структурных биологов человеческий NPC — сложная, но захватывающая 3D-головоломка, состоящая примерно из 30 различных белков, каждый из которых представлен в нескольких копиях. Это составляет около 1000 «пазлов», образующих круглое ядро с окружающими гибкими частями. До сих пор самые точные модели ядра человеческого NPC охватывали лишь 46% структуры. Теперь же, опираясь на два десятилетия предыдущих исследований в этой области, учёные создали новую модель структуры NPC, охватывающую более 90% его ядра.

В то время как ранее предложенные модели NPC имели пробелы и содержали некоторые белки лишь фрагментарно, новая модель устраняет большую часть этой неопределённости.

«Это как когда вы разбираете и собираете электронное устройство. Всегда останутся какие-то винтики, и вы просто не знаете, где они должны быть», — сказал руководитель группы EMBL Ян Косиньский, со-руководитель исследования. «Нам наконец удалось подогнать большинство из них, и теперь мы точно знаем, где они находятся, что делают и как».

Эксперимент и искусственный интеллект работают вместе

Как учёные этого добились? Ключом стало сочетание нескольких экспериментальных и вычислительных методов. Это позволило визуализировать NPC в разных масштабах и с разной степенью детализации.

Например, для моделирования общего силуэта NPC исследователи использовали крио-электронную томографию. С помощью этой техники они смогли наблюдать NPC в его клеточном окружении, а не в изоляции. Больше деталей об отдельных белковых «кирпичиках» раскрыл AlphaFold2 — программа на основе искусственного интеллекта для предсказания белковых структур, созданная компанией DeepMind.

«AlphaFold2 стал для нас прорывным моментом», — сказала Агнешка Обарска-Косиньска, постдок, выполнявшая молекулярное моделирование. «Раньше мы не знали структуру многих белков внутри NPC. Нельзя собрать пазл, если не знаешь, как выглядят его части. Но AlphaFold2 в сочетании с другими подходами позволил нам предсказать эти формы».

Чтобы ещё больше уточнить картину, исследователи использовали ColabFold — версию AlphaFold2, модифицированную научным сообществом для моделирования взаимодействий между белками. Это позволило визуализировать, как различные «пазлы» объединяются в более мелкие субкомплексы, и как эти субкомплексы затем склеиваются, образуя NPC.

Наконец, они собрали все части воедино с помощью ранее разработанного группой Косиньского программного обеспечения Assembline и проверили модель на соответствие экспериментальным данным.

Полученная модель оказалась настолько полной и детальной, что позволила исследователям создать молекулярные симуляции с временным разрешением, объясняющие, как белки NPC и ядерная мембрана взаимодействуют для создания стабильной поры и как она реагирует на механические воздействия.

Будущие направления

Эта работа стала большим шагом вперёд в исследовании NPC, но предстоит ещё многое изучить.

«Эта работа является примером того, как в будущем структурная биология будет объединяться с клеточной биологией для создания атомных моделей всё более крупных молекулярных комплексов, выполняющих различные функции в разных частях клетки», — сказал Мартин Бек. Герхард Хаммер согласен: «Теперь мы можем думать о создании полной динамической модели NPC и моделировании ядерного транспорта в атомных деталях».

Группа Косиньского в будущей работе сосредоточится на разработке автоматических методов интеграции структурных и микроскопических данных с использованием AlphaFold2 и собственного программного обеспечения Assembline. Они планируют применять эти подходы для изучения молекулярных процессов, лежащих в основе вирусных инфекций.

Исследование опубликовано в журнале Science.