“我们离阐明核孔复合物的结构和功能的诺贝尔奖又进一步。”这是一位审稿人对一篇 Science 论文的评价。什么成果能得到如此高的评价？

  担任该论文一作的是华中科大校友聂斯，通讯作者则是诺奖得主&洛克菲勒大学教授甘特·布洛贝尔（Günter Blobel）的学生——现任加州理工学院化学化工系的安德烈·霍尔茨（André Hoelz）教授。

  研究中，聂斯和所在团队利用生物化学重构了高分辨晶体的结构解析，并用冷冻电子断层扫描重构和细胞生理性实验进行验证，最终揭示了首个接近完整人类核孔复合物胞质面的近原子结构。

  此次解析出来的结构，为后续研究提供了丰富的物质基础。核孔复合物的蛋白与一些可怕的疾病相关，而了解这些蛋白在核孔复合物的位置、以及它们的聚集原理，可帮助设计实验、以及解答这些突变所起的作用等问题。

  另外，她和所在团队发现，NUP358 与细胞内蛋白翻译有关。这一发现是前所未有的，这意味着核孔复合物与核糖体翻译机器联系了起来。

  细胞，从一定意义上好比一个“大型工厂”，里面充满了各种分子机器。在这些机器中，最为复杂、也极其重要的一种便是核孔复合物（Nuclear Pore Complex，NPC）。

  核孔复合物，是位于细胞核膜上的一个分子蛋白复合物。细胞核含有细胞几乎所有的遗传物质，并由细胞核膜环绕。这样的构造，一方面能保护遗传物质不被细胞核外环境破坏，另一方面便于更有效地控制基因的表达。

  此外，细胞核膜含有内膜以及外膜。内外核膜可以融合形成环状的开口，核孔复合物则镶嵌在这个开口处，故它是物质进出细胞核的唯一通道，严格把控着物质的输入与输出，扮演着细胞核“守门人”的角色。

  作为守门人，核孔复合物是细胞正常运作的核心，对细胞基因的表达至关重要。不过，作为这样一个唯一的通道，核孔复合物自然而然会成为很多病毒袭击的对象，包括 HIV 和新冠病毒。

  而且，核孔复合物的蛋白突变也造成了各种人类疾病，如自身免疫功能障碍、神经系统疾病、心血管疾病、甚至癌症。因此，研究核孔复合物的结构与功能显得至关重要。

  核孔复合物是结构复杂的的分子机器，由约 34 种不同的核孔蛋白以多拷贝形式构成，其总蛋白质构成数目约为 1000 多个，外径约 120nm，高约 75nm，分子量约为 110MDa。

  20 多年来，安德烈教授团队一直致力于研究和破译 NPC 的结构与其功能的关系。早在 2016 年，该团队解析了首个近原子的核孔复合物对称核心的接近完整的结构。但是，胞质纤丝和核篮的结构信息尚未缺失。而在该研究里，他们终于补上了这一缺失。

  详细来说，该团队通过大肠杆菌体外表达了几乎所有人类、以及嗜热梭菌胞质纤丝核孔蛋白。此次发现揭示了核孔复合物的胞质纤丝核孔蛋白复合物在进化上是保守的，并将两个独立的 mRNA 重塑复合物连接一起。

  他们还通过晶体学实验，解析了人类核孔复合物胞质丝核孔蛋白 NUP358 所有未被解析结构域的结构。并将实验解析的晶体结构，对接到人类核孔复合物冷冻电子断层扫描重构图，其 N 端 S 型结构域锚定在包被着核孔蛋白复合物的中央茎区域，将 C 端其余的柔软连接的结构域伸展至细胞质约 6nm 的位置。

  另据悉，课题组借助冷冻电子断层扫描重构了实验解析结构、以及生物化学相互作用验证，结果发现人类胞质纤丝核孔蛋白复合物（cytoplasmic filament nucleoporin complex，CFNC）是由内环核孔蛋白 NUP93 的组装传感器锚定在人类核孔复合物的胞质面的。

  其还通过生物化学相互作用分析发现，嗜热梭菌的 CFNC 的锚定位点与人类 CFNC 不同。最后，该团队还发现存在除空间竞争以外的作用机制，来促进核孔蛋白的不对称分布。

  聂斯表示：“我们并未局限于一种方式，而是结合了多种实验手段。比如，我们通过生物化学相互作用分析，阐释蛋白之间的相互作用网络；通过结构解析，揭示了它们的三维形状和蛋白相互作用的分子细节；并通过将解析蛋白结构对接到冷冻电子断层扫描重构的人类核孔复合物中，来揭示核孔蛋白的化学计量和定位。”

  另外，他们还基于细胞生物学的分析，验证了生物化学和结构发现的生理相关性。利用这些实验和相互验证，最大限度地确保实验结果的可靠性，最终解析了这个近原子的人类核孔复合物结构。而此次研究方法，还可作为解析类似的大分子机器结构的模式。

  这样的成就，也和实验室的艰苦奋斗密不可分。聂斯说：“当你走进我们的实验室，你会发现这里有很多摇床，大量的大肠杆菌正在生长。我们每天会花很久进行优化蛋白表达以及纯化。对于任何一个蛋白，我们最少需要 36 升的大肠杆菌培养基。比如，研究中体外组装的核孔蛋白复合物，动辄就需要 1000 升的培养基。因为没有自动化的收集器，只得自己一瓶一瓶分多次收集。我们常常戏称这是最好的锻炼方式，还有女孩因为长期收菌，双臂都有肌肉了。但却也常常以此作乐，还举行‘收菌大赛’，看谁收集得最快。”

  如前所述，安德烈教授此前从诺贝尔奖得主布洛贝尔，后者一直从事核孔复合物的研究。很多核孔复合物的蛋白，都是布洛贝尔发现并命名的，NUP358 就是其中一个。因此，当十几年前安德烈教授在加州理工学院建立独立实验室时，这个课题便已存在。

  课题确立之初，第一目标是获取目标蛋白。由于核孔复合物蛋白的柔性，实验室耗费大量精力对蛋白表达以及纯化进行优化，最终获取了大量高质量的体外重组核孔蛋白。

  2012 年，克里斯托弗·J· 布莱（Christopher J. Bley）博士加入实验室，并成为该课题的主要负责人，其负责优化部分蛋白的表达、以及蛋白相互作用的分析。

  2015-2016 年，核孔复合物冷冻电镜断层扫描重构技术获得了突飞猛进的发展，他们也得以将高分辨率的实验解析的结构，对接到冷冻电镜断层扫描重构的人类核孔复合物中，借此成功建立了首个人类核孔复合物的对称中心的结构模型。

  于是，他们想利用同一方法获得胞质丝的结构。但是，进行此方法的前提是，必须获得相应的蛋白结构模型，也是由于核孔蛋白柔性的性质。这一结构解析相当难，也是困扰实验室多年的难题。

  2016 年，聂斯加入实验室，成为了课题的另外一个主要负责人。此时，研究目标迭代为解析蛋白结构、以及阐述核孔复合物的蛋白-蛋白相互作用。

  2016-2019 年，聂斯花了大量时间和精力去解析蛋白结构，期间解析了多个 NUP358 未被解析的结构、以及一个 CFNC 未解析结构，并分析了所有人类核孔复合物的胞质丝蛋白之前的相互作用。

  2019 年，课题组通过将实验解析的结构，对接到冷冻扫描断层扫描重构图中，这时核孔复合物胞质面的结构模型几乎完成建成。但是，他们还想通过生物化学相互作用的分析，去验证核孔复合物胞质面的蛋白-蛋白相互作用，并通过细胞生物学实验对结果进行生理性验证，从而对核孔复合物的功能进行分析。

  于是，该团队继续开展相关实验。2020 年，乔治·莫布斯（George Mobbs）、斯特凡·彼得洛维奇（Stefan Petrovic）、安娜·格雷斯（Anna Gres）和刘晓玉等组员加入课题，他们的加入极大加快了课题进展。2021 年，该小组终于完成课题并投稿。

  据悉，该实验室的最大特点在于具备获取高质量核孔蛋白的经验，而高质量蛋白样品是蛋白结构解析的前提条件。

  在实验室的前几年，聂斯的工作大半部分集中在结构解析。她说：“不停地纯化蛋白、优化蛋白纯化、晶体筛选以及晶体优化。有的蛋白性质不稳定，我还需要钻到冷库去点晶体。有一次，LA 发生了地震，我当时还在冷库点晶体，我看屋顶都快要晃下了，吓死了好在很快就结束了。不过这个‘过命之交’的晶体在第一次衍射中就给了我很高分辨率的结构。”

  2019 年，该团队已经基本拿到所有结构，并具备了初步的整体模型。可是，他们还想从细胞生理性上进行验证。作为结构生物学实验室，其对细胞生物学并不擅长。安德烈教授把这个艰巨的任务交给了聂斯。她只好硬着头皮上，自己查找各种文献，摸索一切实验流程。

  当然，每一部分工作都包含了团队成员的巨大努力。2021 撰写论文时正值疫情爆发，组员们通过 zoom 进行文章写作修改。“我们当时每天都是从早上讨论到半夜，从视频里看大家都是大大的黑眼圈和狂野的发型，后来终于完成了合计 90 张图形，接近 300 页的稿子。最终发表之日，Andre 热泪盈眶。”聂斯说。

  但这并不是结束，未来他们将研究病毒对核孔复合物功能的破坏的分子机制，如 SARS-Cov-2 ORF6 是否能够结合胞质丝核孔蛋白，并对核孔复合物的功能产生影响。并将通过结构解析、生物化学分析和细胞生物学对此进行研究。此外，还将研究核孔复合物的组装和解聚。核孔复合物随着细胞周期进行组装和解聚，但其中分子机制并不明了。因此，该团队计划通过蛋白体外重构，以发掘关键位点。

  据介绍聂斯是湖北随州人。本科毕业于华中科技大学生物技术专业，毕业后保送进入武汉光电国家实验室生物医学光子学中心，并获得硕士学位。

  读硕期间，她发现研究蛋白结构能很大程度地帮助人们理解生命活动，因此对结构生物学产生了极大的兴趣。2012 年硕士毕业后，聂斯立即申请到中科院生物物理所读博，学习结构生物学。

  博士毕业后，她以博后身份加入加州理工学院，从事核孔复合物结构生物学研究。对于未来她说：“有回国打算，但是未来一到两年，可能还是呆在这边。”