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タイトルAI-based structure prediction empowers integrative structural analysis of human nuclear pores.
ジャーナル・号・ページScience, Vol. 376, Issue 6598, Page eabm9506, Year 2022
掲載日2022年6月10日
著者Shyamal Mosalaganti / Agnieszka Obarska-Kosinska / Marc Siggel / Reiya Taniguchi / Beata Turoňová / Christian E Zimmerli / Katarzyna Buczak / Florian H Schmidt / Erica Margiotta / Marie-Therese Mackmull / Wim J H Hagen / Gerhard Hummer / Jan Kosinski / Martin Beck /
PubMed 要旨INTRODUCTION The eukaryotic nucleus pro-tects the genome and is enclosed by the two membranes of the nuclear envelope. Nuclear pore complexes (NPCs) perforate the nuclear envelope to facilitate ...INTRODUCTION The eukaryotic nucleus pro-tects the genome and is enclosed by the two membranes of the nuclear envelope. Nuclear pore complexes (NPCs) perforate the nuclear envelope to facilitate nucleocytoplasmic transport. With a molecular weight of ∼120 MDa, the human NPC is one of the larg-est protein complexes. Its ~1000 proteins are taken in multiple copies from a set of about 30 distinct nucleoporins (NUPs). They can be roughly categorized into two classes. Scaf-fold NUPs contain folded domains and form a cylindrical scaffold architecture around a central channel. Intrinsically disordered NUPs line the scaffold and extend into the central channel, where they interact with cargo complexes. The NPC architecture is highly dynamic. It responds to changes in nuclear envelope tension with conforma-tional breathing that manifests in dilation and constriction movements. Elucidating the scaffold architecture, ultimately at atomic resolution, will be important for gaining a more precise understanding of NPC function and dynamics but imposes a substantial chal-lenge for structural biologists. RATIONALE Considerable progress has been made toward this goal by a joint effort in the field. A synergistic combination of complementary approaches has turned out to be critical. In situ structural biology techniques were used to reveal the overall layout of the NPC scaffold that defines the spatial reference for molecular modeling. High-resolution structures of many NUPs were determined in vitro. Proteomic analysis and extensive biochemical work unraveled the interaction network of NUPs. Integra-tive modeling has been used to combine the different types of data, resulting in a rough outline of the NPC scaffold. Previous struc-tural models of the human NPC, however, were patchy and limited in accuracy owing to several challenges: (i) Many of the high-resolution structures of individual NUPs have been solved from distantly related species and, consequently, do not comprehensively cover their human counterparts. (ii) The scaf-fold is interconnected by a set of intrinsically disordered linker NUPs that are not straight-forwardly accessible to common structural biology techniques. (iii) The NPC scaffold intimately embraces the fused inner and outer nuclear membranes in a distinctive topol-ogy and cannot be studied in isolation. (iv) The conformational dynamics of scaffold NUPs limits the resolution achievable in structure determination. RESULTS In this study, we used artificial intelligence (AI)-based prediction to generate an exten-sive repertoire of structural models of human NUPs and their subcomplexes. The resulting models cover various domains and interfaces that so far remained structurally uncharac-terized. Benchmarking against previous and unpublished x-ray and cryo-electron micros-copy structures revealed unprecedented accu-racy. We obtained well-resolved cryo-electron tomographic maps of both the constricted and dilated conformational states of the hu-man NPC. Using integrative modeling, we fit-ted the structural models of individual NUPs into the cryo-electron microscopy maps. We explicitly included several linker NUPs and traced their trajectory through the NPC scaf-fold. We elucidated in great detail how mem-brane-associated and transmembrane NUPs are distributed across the fusion topology of both nuclear membranes. The resulting architectural model increases the structural coverage of the human NPC scaffold by about twofold. We extensively validated our model against both earlier and new experimental data. The completeness of our model has enabled microsecond-long coarse-grained molecular dynamics simulations of the NPC scaffold within an explicit membrane en-vironment and solvent. These simulations reveal that the NPC scaffold prevents the constriction of the otherwise stable double-membrane fusion pore to small diameters in the absence of membrane tension. CONCLUSION Our 70-MDa atomically re-solved model covers >90% of the human NPC scaffold. It captures conforma-tional changes that occur during dilation and constriction. It also reveals the precise anchoring sites for intrinsically disordered NUPs, the identification of which is a prerequisite for a complete and dy-namic model of the NPC. Our study exempli-fies how AI-based structure prediction may accelerate the elucidation of subcellular ar-chitecture at atomic resolution. [Figure: see text].
リンクScience / PubMed:35679397
手法EM (単粒子) / EM (サブトモグラム平均)
解像度3.0 - 50.0 Å
構造データ

EMDB-14243, PDB-7r1y:
cryoEM structure of human Nup155 (residues 19-981)
手法: EM (単粒子) / 解像度: 3.0 Å

EMDB-14321, PDB-7r5j:
Human nuclear pore complex (dilated)
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 50.0 Å

EMDB-14322, PDB-7r5k:
Human nuclear pore complex (constricted)
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 12.0 Å

EMDB-14325: Cytoplasmic ring of the human nuclear pore complex from isolated HeLa nuclear envelopes
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 12.1 Å

EMDB-14326: Structure of nuclear pore complex from HEK cells with GP210 knockout
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 46.0 Å

EMDB-14327: Nuclear pore complex from intact HeLa cells
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 48.0 Å

EMDB-14328: Inner/spoke ring of the human nuclear pore complex from isolated HeLa nuclear envelopes.
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 12.6 Å

EMDB-14330: Nuclear ring of the human nuclear pore complex from isolated HeLa nuclear envelopes
手法: EM (サブトモグラム平均) / 解像度: 23.2 Å

由来
  • homo sapiens (ヒト)
キーワードSTRUCTURAL PROTEIN / nucleoporin / beta-propeller / TRANSPORT PROTEIN / nucleocytoplasmic transport / multiprotein complex

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万見文献について

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お知らせ

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2022年2月9日: EMDBエントリの付随情報ファイルのフォーマットが新しくなりました

EMDBエントリの付随情報ファイルのフォーマットが新しくなりました

  • EMDBのヘッダファイルのバージョン3が、公式のフォーマットとなりました。
  • これまでは公式だったバージョン1.9は、アーカイブから削除されます。

関連情報:EMDBヘッダ

外部リンク:wwPDBはEMDBデータモデルのバージョン3へ移行します

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2020年8月12日: 新型コロナ情報

新型コロナ情報

URL: https://pdbj.org/emnavi/covid19.php

新ページ: EM Navigatorに新型コロナウイルスの特設ページを開設しました。

関連情報:Covid-19情報 / 2020年3月5日: 新型コロナウイルスの構造データ

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2020年3月5日: 新型コロナウイルスの構造データ

新型コロナウイルスの構造データ

関連情報:万見生物種 / 2020年8月12日: 新型コロナ情報

外部リンク:COVID-19特集ページ - PDBj / 今月の分子2020年2月:コロナウイルスプロテーアーゼ

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2019年1月31日: EMDBのIDの桁数の変更

EMDBのIDの桁数の変更

  • EMDBエントリに付与されているアクセスコード(EMDB-ID)は4桁の数字(例、EMD-1234)でしたが、間もなく枯渇します。これまでの4桁のID番号は4桁のまま変更されませんが、4桁の数字を使い切った後に発行されるIDは5桁以上の数字(例、EMD-12345)になります。5桁のIDは2019年の春頃から発行される見通しです。
  • EM Navigator/万見では、接頭語「EMD-」は省略されています。

関連情報:Q: 「EMD」とは何ですか? / 万見/EM NavigatorにおけるID/アクセスコードの表記

外部リンク:EMDB Accession Codes are Changing Soon! / PDBjへお問い合わせ

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2017年7月12日: PDB大規模アップデート

PDB大規模アップデート

  • 新バージョンのPDBx/mmCIF辞書形式に基づくデータがリリースされました。
  • 今回の更新はバージョン番号が4から5になる大規模なもので、全エントリデータの書き換えが行われる「Remediation」というアップデートに該当します。
  • このバージョンアップで、電子顕微鏡の実験手法に関する多くの項目の書式が改定されました(例:em_softwareなど)。
  • EM NavigatorとYorodumiでも、この改定に基づいた表示内容になります。

外部リンク:wwPDB Remediation / OneDepデータ基準に準拠した、より強化された内容のモデル構造ファイルが、PDBアーカイブで公開されました。

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関連情報:EMDB / PDB / SASBDB / 万見 (Yorodumi) / EMN文献 / 新しいEM Navigatorと万見の変更点

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