无序驱动自然界最复杂机器

核孔复合体内部通道展现出它那杂乱无章的壮丽景象。远非一个简单的孔洞，该复合体充满了动态的蛋白质，负责将分子移入和移出细胞核。在这个计算机模型中，绿色的链条代表无序的核孔蛋白，蓝色的结状物是核转运蛋白（karyopherin transport proteins）。

在复杂生命诞生之初，进化为它最珍贵的物品——DNA，创造了一个容器。几十亿年后，20 世纪的显微镜学家近距离观察了这个容器——细胞核，发现它表面布满了微小的开口。当时，他们不知道这些结构究竟是什么，但随着显微镜技术的进步，一些宏伟的事物逐渐清晰起来：我们现在称之为“核孔复合体（nuclear pore complexes）”的结构，它们是迄今为止形成的最庞大、最奇妙的分子机器之一。

每一个核孔复合体都是由大约 30 种不同类型的数百个蛋白质构成的。从正面看，它像一朵八瓣花；从侧面看，像一个飞碟。它的中心开口处溢出像意大利面一样的蛋白质，这些蛋白质被拴在复合体的内壁上。

“它是一件极其美丽的事物，”洛克菲勒大学的化学生物学家 Brian Chait 说。“它是不可思议的，是个奇迹。……它是现象级的。”

这台机器有一项至关重要的工作：指挥分子进出细胞核的交通。这个蛋白质复合体不仅仅是一扇敞开的门，它能在不同的分子靠近时识别它们，并只允许其中一部分通过。“核孔复合体归根结底是细胞核的‘守门人’，”瑞士巴塞尔大学的生物物理学家 Roderick Lim 说。“所有需要进出细胞核的物质都必须穿过这些孔。”

几乎每一个真核细胞都有一个布满核孔复合体的细胞核，而且从单细胞酵母到多细胞人类，该复合体的主要成分在不同物种中惊人地保守。加州理工学院的结构细胞生物学家 André Hoelz 说，进化过程“只有一次想出了那个东西，然后就一直沿用下来了”。

一个哺乳动物的细胞核可以包含数千个这样的核孔。每一秒，每个核孔都允许成百上千个各种形状和大小的分子穿过，以便它们能够到达目的地去制造蛋白质、调节基因，并在总体上帮助细胞运作。一些大分子由蛋白质携带着穿过通道，而小分子则靠自己扩散过去。虽然有些分子能毫不费力地滑过，但对另一些分子来说，它却是一道无法逾越的屏障。

这扇门如何具有如此高的选择性，一直是个谜。几十年来，生物学家们已经弄清楚了这台机器大部分静态部分的样子。但它的中心是焦躁不安的，在无休止地移动和变形，这使得即使是最好的方法也难以将其可视化。

这种情况正在逐渐改变。在 2025 年底发表于《自然-细胞生物学》（Nature Cell Biology）的一项研究中，高分辨率显微镜以毫秒级的精度展示了处于运动中的中央屏障，揭示了一个不断重新排列自身的灵活结构。这些由计算模型支持的实验成像表明，核孔复合体的功能是由其灵活性和运动性引导的。

核孔复合体的外环镶嵌在细胞核的膜上，由大约 30 种不同类型的数百个蛋白质构成。但大部分活动都通过其中心通道进行，该通道允许分子进入和离开细胞核。S J Kim 供图。

这不仅仅是求知欲的体现。最近激增的研究已经将神经发育障碍、病毒性疾病和癌症与该复合体的问题联系起来。如果生物学家能够弄清其细胞内的运输系统是如何运作的，他们就可以开发出阻止不必要的病原体通过的方法——也可以尝试将治疗分子引导进细胞核，那里正是基因组所在的地方。

“我们正开始获得各种生物核孔接近原子尺度的全貌，”洛克菲勒大学的细胞生物学家 Mike Rout 说，他领导了这项新工作，为深入了解处于真核生命核心的分子机器提供了见解。

一件美丽的事物

对于许多研究核孔的科学家来说，这种迷恋是一瞬间的：他们惊叹于这个（相对）巨大的生物机器竟然能让如此多种类、如此大量的分子高效地进出细胞核，而且几乎没有犯错的余地。

“它非常美丽，”Hoelz 说。“你如何建造一个有着让 747 客机穿过的门，却飞不出一颗小玻璃珠的飞机库？”

无论如何，这扇门本身必须扮演生命重要分子的“保镖”角色。RNA 分子必须离开细胞核进入细胞质中以制造蛋白质。核糖体是负责制造蛋白质的结构，它们自身也是由在细胞核内组装并通过核孔运出细胞核的分子构成的。与此同时，参与调节基因组的分子必须被优先引入细胞核。当这些过程发生时，核孔也在阻挡不属于在那里的东西，比如有害的酶或错误折叠的 RNA。

细胞生物学家 Mike Rout 花了数十年时间研究核孔复合体。这个由数百个独立蛋白质构成的至关重要的结构，是细胞核的“守门人”和交通管制员。Lori Chertoff/洛克菲勒大学

在发现核孔复合体以来的几十年里，生物学家利用电子显微镜、物理学工具和计算机建模，慢慢地对其结构有了更深入的了解。随着冷冻电子显微镜（一种在细胞被闪电冷冻后对其进行成像的强大技术）的出现，他们已经能够评估这台机器的静态部分。这些努力生成了构建八个花瓣状径向单元的每个独立蛋白质的近原子级视图。但该技术对最中心的部分——被称为“运输通道（transport channel）”，即核孔大部分活动发生的地方——却不起作用。

“每当有人用这些显微镜窥视核孔内部时，他们只看到里面有一团无定形的云，”Lim 说。“它就像一团迷雾。”

到了 20 世纪 90 年代，原因变得清晰起来：这台巨型机器的中心充满了没有明显或特定结构的蛋白质。这些被称为 FG-核孔蛋白（FG-nucleoporins）的蛋白质，其尾部像海藻一样四处摆动，无法被静态图像捕捉到。Hoelz 说，这些尾部是“核孔复合体的暗物质”。

大多数蛋白质折叠成特定的结构或形状，这对它们在细胞中执行的功能至关重要。但是固有无序蛋白（包括这些核孔蛋白在内的一类蛋白质）并没有单一的结构。它们四处挥舞，改变形状并与不同的分子结合。

这意味着在核孔复合体的中心，“一切都是由无序所介导的，”荷兰格罗宁根大学的计算物理学家 Patrick Onck 说。“产生这种功能的不是有序。而是无序。”

在本世纪初，该领域充斥着关于运输通道中 FG-核孔蛋白的组织与行为，以及它们如何将分子运进运出细胞核的争论。研究人员一致认为，如果没有被称为“转运因子（transport factors）”的载货蛋白质的帮助，大多数大分子是无法通过通道的。Rout 解释说，在通道中与核孔蛋白混合的转运因子，只与那些包含特定短链氨基酸的分子结合——这是一种分子标签，“实际上是在说，‘把我送进细胞核里去’”。但研究人员对通道本身可能是如何组织的意见不一，这将影响分子如何穿过它。有人认为核孔蛋白彼此扣合在一起，形成了一个凝胶状的网状网络。其他人则认为，这些无序蛋白彼此之间的相互作用并不多，而是像刷子上的刷毛一样不断地波动。

争论变得激烈起来。“曾经气氛火药味十足，”Hoelz 回忆道。“人们对他们正在做的事情充满热情。这并不是个人恩怨。”

“很长一段时间里，情况就像是，‘你是凝胶派，还是刷子派？’你非此即彼，”德克萨斯 A&M 大学细胞生物学家 Siegfried Musser 说。

生物物理学家 Roderick Lim 和他的团队使用高速原子力显微镜对核孔复合体的内部运作进行成像。巴塞尔大学 Biozentrum

近年来，新的合作和讨论（包括在一次相关负责人聚在一起交谈的年度会议上）平息了这场冲突。但关于运输通道结构和功能的真相仍未解开。研究人员需要变得更具创造力，才能了解该复合体在其天然环境中是如何运作的。

Rout 说：“我们只是想回到核孔复合体本身，真正地请核孔告诉我们它在做什么，而不是把我们的想法强加于它。”

快速的轻敲探测

你如何探究一个分子复合体？Rout 和 Lim 都倡导一种更具动态性的核孔模型，他们从一个简单的想法开始：戳它。

Rout 花了数十年时间来表征酵母的核孔复合体。Lim 是高速原子力显微镜方面的专家，这项技术通过在表面上移动一个非常锋利的探针，快速且轻轻地敲击（tapping）它，以感知它是如何运动的。

几年前，在一间阴暗的地下室实验室里，Lim 的研究生 Toshiya Kozai 开始拆开装有数百万个酵母核孔复合体的塑料小瓶。Lim 回忆说，他在“我们系的‘地牢’”里辛苦工作了好几天，马不停蹄地趁样品还新鲜时将它们放入高速原子力显微镜中。“这真的是出于热爱而付出的心血。”

他的努力使团队能够逐毫秒地观察运输通道的变化。“我们能看到非常清晰、超快速的运动，”Rout 回忆道。结果视频对我们这些宏观生物来说可能看起来很模糊，但它们是观察纳米级运输通道行为的一些最高清晰度的影像。

Lim 使用高速原子力显微镜（通过探针在分子表面进行轻敲探测）创建了酵母核孔复合体运输通道的这一实时视频。粉红色的箭头指向中央栓（central plug）——核孔中一个难以捉摸的结构，直到现在才被证实存在。《自然-细胞生物学》 27, 2089-2101 (2025)

在通道边缘、靠近孔壁的地方，Rout 和 Lim 的团队看到了分子的快速波动——那就是那些摇摆不定的核孔蛋白。在通道中心，他们看到了一个模糊的团块，被称为中央栓（central plug），它在运输通道内不断移动并重新定位。长期以来，生物学家一直怀疑可能存在一个中央栓，但在以前的显微镜图像中，它并不总是可见。

没有参与这项研究的 Hoelz 说：“眼见为实。”能够展示出这一点“是一件美好的事情”。

在 Chait 的领导下，该团队利用质谱分析法发现，这个栓塞是由称为核转运蛋白（karyopherins，简称“kaps”）的运输蛋白及其分子货物组成的。当 kaps 穿过核孔时，它们会附着在核孔蛋白上，将它们拉向通道中心。这就形成了一个临时的动态障碍，能够减缓其他分子的速度或阻止它们通过。Rout 说，这样一来，kaps 不仅帮助运送分子过去，还会推开任何不该出现在那里的东西。当他们加入更多的转运因子时，他们看到这个栓塞变得更大了。

核孔复合体的核心部位正被 kaps 不断地重新排列，创造出一个千变万化的环境。Rout 说，结果表明，核孔的组织和行为比凝胶网络要动态得多，并且更接近于一种像刷毛一样的环境。这些发现支持了他此前提出的一种被称为“虚拟门（virtual gate）”的模型，该模型认为环境的动态性对于引导蛋白质离开或穿过至关重要。他把它比作一个拥挤的舞池。

核孔复合体的内部通道由无序的核孔蛋白（绿色）组织而成，它们缺乏稳定的结构。携带货物的运输蛋白（粉色）与动态的核孔蛋白相互作用，推动分子货物（未显示）穿过核孔进出细胞核。动画作者：Enrique Sahagun，Scixel

他说：“如果你会跳舞，你可以直接进入舞池，牵着手在不同的舞伴间旋转穿梭，快速交换舞伴一路走过去。如果你不会跳舞，你看到的只会是一片混乱的推搡，如果你试图挤进去，没有人会抓住你并带你进入舞步，所以你只会被推开。”

为了进一步测试他们的观察结果，Rout 和 Lim 制造了与天然核孔复合体同样大小的人工合成核孔。当他们在里面系上核孔蛋白并加入转运因子时，合成核孔的表现与天然的酵母核孔复合体一样。他们看到了中央栓的出现。

Musser 说：“实际上我感到非常震撼的是，他们用一个非常简单的模型再现了结果。这是一个相当令人震惊的结论。”

大门并未关闭

Hoelz 并不完全确信这就是终结凝胶模型的决定性反击。他说：“答案[可能]介于两者之间，在科学界情况往往如此。”他提出，研究人员可能捕捉到了中央通道处于不同配置状态下的情况，因为它一直都在发生变化；或者说，某些核孔的内部通道更像凝胶，而另一些则更像刷子。

最近由 Onck 牵头发表在《自然通讯》（Nature Communications）上的一项建模研究表明，中心运输通道可能有些部分像刷子，有些部分则类似于凝聚体（condensates，即无膜的液态状隔室，具有凝胶和刷子的特征）。Musser 说，甚至有可能是通道中心密度较高的部分具有更像凝胶或凝聚体的特性，而边缘地带更像刷子。

Hoelz 表示，只有那些能够完全看清核孔内部的新技术才能终结这场辩论——而这些技术现在随时都可能出现。

Musser 对此表示赞同：“人们在不断地尝试开发新工具或新策略，以弄清楚到底是怎么回事。”2025 年，他和他的团队在《自然》（Nature）杂志上发表了研究结果，他们使用了一种名为 Minflux 的强大 3D 成像工具，在人体细胞完整的细胞核内，高分辨率地追踪分子穿过核孔复合体时的运动情况。未参与这项研究的 Hoelz 说道，了解到这种方法对他而言“彻底改变了游戏规则”。

Musser 的团队观察到分子只在运输通道边缘附近移动。考虑到中央栓可能会挡住中心通道，这也补充印证了 Rout 和 Lim 的研究。“但是中间部分不被使用是说不通的，”Musser 说。“我认为我们只是还没有找到正确的底物，或者没有开发出合适的工具来看到穿过中间的东西。”

Rout 说道，无论里面看起来像什么，有一点是明确的，核孔复合体具有令人难以置信的延展性和稳固性——这也使它成为了细胞的“阿喀琉斯之踵（致命弱点）”。它对细胞健康至关重要，并且处于其最重要过程（蛋白质生产和基因调控）的中心位置。但正因为它具有韧性且能承受损伤，它被疾病改变时并不会立即停止运作。

Rout 说，构成核孔的一些蛋白质“一次又一次地作为疾病的薄弱环节出现”，这涉及神经发育障碍、病毒性疾病和癌症。癌细胞和病毒很可能都会干扰该复合体中的蛋白质，使蛋白质制造机器偏向对它们有利的方向，或者切断免疫反应。

从这个意义上说，核孔复合体远远不止是一扇分子门。“它是信息整合的一个连接点，”Rout 说。“我想，如果细胞有思想的话，那这就是它对自身核孔的看法。”