早在動物從海綿進化出來之前，植物從藻類進化出來之前，就有一個關(guān)鍵事件可以產(chǎn)生復(fù)雜的多細(xì)胞生物：單細(xì)胞生物中細(xì)胞核的發(fā)育。真核生物是生物體的三個主要分支之一，其核心是由這個核及其周圍的膜組成的，它可以容納和保護我們的遺傳物質(zhì)。需要進入或離開細(xì)胞核的所有大量分子都是通過嵌入該膜的通道樣結(jié)構(gòu) - 核孔復(fù)合物來實現(xiàn)的。

細(xì)胞與結(jié)構(gòu)生物學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人Michael Rout和質(zhì)譜與氣體離子化學(xué)實驗室負(fù)責(zé)人Brian Chait及其同事近20年來一直致力于了解核孔復(fù)合物。他們首先在2000年分離并描述了酵母核孔復(fù)合物的成分，然后在2007年發(fā)布了其結(jié)構(gòu)的初稿。在酵母中以及在人類中，核孔復(fù)合物由夾在兩個外環(huán)之間的內(nèi)環(huán)組成：一個面向內(nèi)，一個面向外。與這些外環(huán)相連的是蛋白質(zhì)類別，其與細(xì)胞其余部分中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)的獨特化學(xué)相容。核孔組分的這種不對稱分布對于幫助確定通過孔的運輸?shù)姆较蛐允侵匾摹?/p>

這個綜合體是如此基礎(chǔ)，以至于它的建筑被認(rèn)為是所有真核生物共有的。然而，Rout實驗室的研究助理Samson Obado發(fā)現(xiàn)了一種真核物種，其孔隙結(jié)構(gòu)不同于任何尚未研究過的結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)暗示孔隙的演化可能比以前假設(shè)的更為復(fù)雜。Obado的結(jié)果于2月份在PLoS Biology上發(fā)布。

“我們對核孔隙復(fù)合體的演變充滿了好奇心，”奧巴多說。我們所知道的關(guān)于復(fù)合物的幾乎所有東西都來自酵母和人類，盡管與植物和許多其他單細(xì)胞真核生物相比，它們在進化方面相差甚遠(yuǎn)。“但原始的毛孔看起來是什么樣的，它們是如何在不同的真核生物中發(fā)育的?” Obado想知道。

他是調(diào)查這一點的最佳人選，因為他的研究生專注于錐蟲; 這些寄生蟲，導(dǎo)致昏睡病和南美錐蟲病等嚴(yán)重疾病，與大約15億年前發(fā)育成酵母，人類，植物和其他真核生物的家庭不同 - 接近最后一個共同祖先的時代。所有的真核生物。

“不尋常和古怪”

“與許多其他真核生物相比，錐蟲具有不尋常和古怪的分子生物學(xué)。一個關(guān)鍵的例子是它們?nèi)绾螌⑺鼈兊幕蜣D(zhuǎn)錄成信使RNA以便翻譯成蛋白質(zhì)，這與教科書模型非常不同。此外，因為它們是如此不同，所以不能僅僅尋找與酵母或人類相似的基因序列，“Obado說。

Rout，Chait及其同事與蘇格蘭鄧迪大學(xué)的Mark Field合作，從錐蟲中鑒定出假定的核孔組分。為此，研究小組將蛋白質(zhì)通過核孔復(fù)合物走過蛋白質(zhì)，并將其與其他近端蛋白質(zhì)一起純化。他們認(rèn)為，這些其他蛋白質(zhì)也可能是核孔復(fù)合物的一部分。然后Obado純化了新蛋白質(zhì)，以確定它們是否也是復(fù)合物的一部分，以及它們的近端蛋白質(zhì)，等等，直到他對所涉及的所有蛋白質(zhì)進行了完整的調(diào)查。最后，他們與大學(xué)的電子顯微鏡資源中心合作，確定關(guān)鍵部件相對于彼此的位置。結(jié)果是整個錐蟲孔結(jié)構(gòu)的完整第一張照片。

研究小組的結(jié)果表明，核孔復(fù)合體內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)在錐蟲，酵母，植物和脊椎動物中基本相似，這表明這一共同特征的古老起源。相比之下，錐蟲核孔復(fù)合體具有將其連接到周圍核包膜的獨特機制，并且外環(huán)通過進化不太“保守”，具有額外的從未見過的組分。然而，錐蟲核孔復(fù)合物之間最顯著的差異迄今為止已經(jīng)檢測過的其他因素是，錐蟲的核孔復(fù)合物顯示出其組分幾乎完全對稱，并且?guī)缀跞鄙俳湍负腿祟愔行枰诳變?nèi)建立不對稱組裝的所有蛋白質(zhì)。相反，似乎細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中的可溶性蛋白質(zhì)負(fù)責(zé)在這些寄生蟲中為蛋白質(zhì)和RNA設(shè)定運輸方向性。

Obado說，錐蟲孔與人類毛孔有這種不同的事實可能提供機會。“這些差異可能會提供一些我們可以治療的目標(biāo)，而不會對我們自己的運輸機制造成傷害。”

進化意義

這些發(fā)現(xiàn)也進一步證實了Rout和他的同事們首先提出的進化理論中的一個想法。該理論被稱為“原始反應(yīng)體假說”，表明核孔和核膜具有共同的祖先，其結(jié)構(gòu)在細(xì)胞中的其他膜結(jié)合結(jié)構(gòu)上形成涂層，如高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的那些。科學(xué)家們說，實際上，盡管與其他真核生物不同，錐蟲核孔組分仍然保留了這些其他大衣中發(fā)現(xiàn)的各種結(jié)構(gòu)和組織。

此外，由于錐蟲核孔復(fù)合物的內(nèi)核在結(jié)構(gòu)上保存完好，與其他真核生物相似，Rout和他的團隊認(rèn)為這個核心代表了一個更簡單的核孔復(fù)合體的原始單元，它早于所有的最后一個祖先。真核生物，因此可能提供關(guān)于細(xì)胞核最初進化的新線索。