寄生虫揭示了进化如何塑造了一个古老的核结构

早在动物从海绵进化出来之前，植物从藻类进化出来之前，就有一个关键事件可以产生复杂的多细胞生物：单细胞生物中细胞核的发育。真核生物是生物体的三个主要分支之一，其核心是由这个核及其周围的膜组成的，它可以容纳和保护我们的遗传物质。需要进入或离开细胞核的所有大量分子都是通过嵌入该膜的通道样结构 - 核孔复合物来实现的。

细胞与结构生物学实验室负责人Michael Rout和质谱与气体离子化学实验室负责人Brian Chait及其同事近20年来一直致力于了解核孔复合物。他们首先在2000年分离并描述了酵母核孔复合物的成分，然后在2007年发布了其结构的初稿。在酵母中以及在人类中，核孔复合物由夹在两个外环之间的内环组成：一个面向内，一个面向外。与这些外环相连的是蛋白质类别，其与细胞其余部分中发现的细胞核或细胞质的独特化学相容。核孔组分的这种不对称分布对于帮助确定通过孔的运输的方向性是重要的。

这个综合体是如此基础，以至于它的建筑被认为是所有真核生物共有的。然而，Rout实验室的研究助理Samson Obado发现了一种真核物种，其孔隙结构不同于任何尚未研究过的结构，这一发现暗示孔隙的演化可能比以前假设的更为复杂。Obado的结果于2月份在PLoS Biology上发布。

“我们对核孔隙复合体的演变充满了好奇心，”奥巴多说。我们所知道的关于复合物的几乎所有东西都来自酵母和人类，尽管与植物和许多其他单细胞真核生物相比，它们在进化方面相差甚远。“但原始的毛孔看起来是什么样的，它们是如何在不同的真核生物中发育的?” Obado想知道。

他是调查这一点的最佳人选，因为他的研究生专注于锥虫; 这些寄生虫，导致昏睡病和南美锥虫病等严重疾病，与大约15亿年前发育成酵母，人类，植物和其他真核生物的家庭不同 - 接近最后一个共同祖先的时代。所有的真核生物。

“不寻常和古怪”

“与许多其他真核生物相比，锥虫具有不寻常和古怪的分子生物学。一个关键的例子是它们如何将它们的基因转录成信使RNA以便翻译成蛋白质，这与教科书模型非常不同。此外，因为它们是如此不同，所以不能仅仅寻找与酵母或人类相似的基因序列，“Obado说。

Rout，Chait及其同事与苏格兰邓迪大学的Mark Field合作，从锥虫中鉴定出假定的核孔组分。为此，研究小组将蛋白质通过核孔复合物走过蛋白质，并将其与其他近端蛋白质一起纯化。他们认为，这些其他蛋白质也可能是核孔复合物的一部分。然后Obado纯化了新蛋白质，以确定它们是否也是复合物的一部分，以及它们的近端蛋白质，等等，直到他对所涉及的所有蛋白质进行了完整的调查。最后，他们与大学的电子显微镜资源中心合作，确定关键部件相对于彼此的位置。结果是整个锥虫孔结构的完整第一张照片。

研究小组的结果表明，核孔复合体内环的结构在锥虫，酵母，植物和脊椎动物中基本相似，这表明这一共同特征的古老起源。相比之下，锥虫核孔复合体具有将其连接到周围核包膜的独特机制，并且外环通过进化不太“保守”，具有额外的从未见过的组分。然而，锥虫核孔复合物之间最显着的差异迄今为止已经检测过的其他因素是，锥虫的核孔复合物显示出其组分几乎完全对称，并且几乎缺少酵母和人类中需要在孔内建立不对称组装的所有蛋白质。相反，似乎细胞核和细胞质中的可溶性蛋白质负责在这些寄生虫中为蛋白质和RNA设定运输方向性。

Obado说，锥虫孔与人类毛孔有这种不同的事实可能提供机会。“这些差异可能会提供一些我们可以治疗的目标，而不会对我们自己的运输机制造成伤害。”

进化意义

这些发现也进一步证实了Rout和他的同事们首先提出的进化理论中的一个想法。该理论被称为“原始反应体假说”，表明核孔和核膜具有共同的祖先，其结构在细胞中的其他膜结合结构上形成涂层，如高尔基体和内质网中的那些。科学家们说，实际上，尽管与其他真核生物不同，锥虫核孔组分仍然保留了这些其他大衣中发现的各种结构和组织。

此外，由于锥虫核孔复合物的内核在结构上保存完好，与其他真核生物相似，Rout和他的团队认为这个核心代表了一个更简单的核孔复合体的原始单元，它早于所有的最后一个祖先。真核生物，因此可能提供关于细胞核最初进化的新线索。

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