将AlphaFold2與實驗和計算技術相結合，有助于科學家比以往更詳細地了解人類核孔複合體的結構。

人類核孔複合體（NPC）是一個真正的分子巨體，位于将細胞核與細胞質分離的膜上。它呈甜甜圈狀，既是細胞質和細胞核之間分子的通道，也是分子的檢查點。因此，NPC促進細胞中的基本過程，如基因表達和翻譯。核運輸系統也在幾種疾病中發揮作用，包括神經退行性疾病、癌症和病毒感染。

NPC的結構是什麼？它的蛋白質是如何粘合在一起的？它是如何附着在核膜上的？EMBL漢堡的科辛斯基小組和結構系統生物學中心（CSSB）、馬克斯·普朗克生物物理學研究所的貝克和悍馬實驗室以及合作者現已回答了這些問題和其他問題。他們将蛋白質結構預測程序AlphaFold2與冷凍電子斷層掃描、單粒子冷凍電鏡和綜合建模等技術相結合，創建了迄今為止最完整的人類NPC模型。

對于結構生物學家來說，人類NPC是一個具有挑戰性但令人興奮的3D難題，大約有30種不同的蛋白質以多個拷貝的形式存在。這相當于大約1000個拼圖塊，它們與周圍的柔性部件形成一個圓形的核心。到目前為止，人類NPC核心的最精确模型隻覆蓋了結構的46%。但現在，在該領域20年前研究的基礎上，科學家們創造了一種新的NPC結構模型，覆蓋了其90%以上的核心。

雖然先前提出的NPC模型有缺口，并且隻包含一些片段中的蛋白質，但新模型消除了大部分這種模糊性。

EMBL小組負責人Jan Kosinski說：“就像你拆卸和重新組裝電子設備一樣。總是會有一些螺釘留下，你隻是不知道它們應該在哪裡。”。“我們最終成功地安裝了大多數，現在，我們确切地知道它們在哪裡，它們做什麼，以及如何安裝。”

科學家們是如何做到這一點的？關鍵是将幾種實驗和計算方法結合起來。這使科學家能夠在不同的尺度和細節層次上對NPC進行可視化。

例如，為了模拟NPC的整體輪廓，研究人員使用了低溫電子斷層成像技術。通過這項技術，他們能夠在細胞環境中觀察NPC，而不是孤立觀察。由DeepMind公司創建的基于人工智能的預測蛋白質結構的程序AlphaFold2揭示了單個蛋白質構建塊的更多細節。

“AlphaFold2對我們來說是一個突破性的時刻，”進行分子建模的博士後阿格涅斯卡·奧巴斯卡·科西恩斯卡（Agnieszka Obarska Kosińska）說。“以前，我們不知道NPC中許多蛋白質的結構。如果你不知道這些片段是什麼樣的，你就無法拼湊出一個謎團。但αfold2與其他方法相結合，使我們能夠預測這些形狀。”

為了進一步完善這張圖片，研究人員使用了ColabFold，一種經過科學界修改的AlphaFold2版本來模拟蛋白質之間的相互作用。這使他們能夠想象不同的拼圖塊如何組合成更小的子複合體，以及這些子複合體如何粘合在一起形成NPC。

最後，他們使用Kosinski小組之前開發的Assembline軟件将所有部件組裝在一起，并根據實驗數據進行驗證。

由此産生的模型是如此完整和詳細，以至于研究人員能夠創建時間分辨的分子模拟，解釋NPC蛋白質和核膜如何相互作用以創建穩定的孔，以及它如何對機械線索作出反應。

這項工作是NPC研究的一個重大飛躍，但仍有許多需要探索的地方。

馬丁·貝克說：“這項工作舉例說明，在未來，結構生物學将如何擁抱細胞生物學，為在細胞不同部位發揮不同功能的越來越大的分子組合創建原子模型。”。格哈德·悍馬表示同意：“我們現在可以考慮建立一個完整的NPC動态模型，并詳細模拟核運輸。”

科辛斯基小組未來的工作目标是開發利用AlphaFold2和他們自己的軟件彙編集成結構和顯微鏡數據的自動方法。他們計劃将這些方法應用于研究驅動病毒感染的分子過程。