核孔复合体（NPC）作为真核细胞中细胞质与细胞核之间分子运输的唯一通道，在生物学

核孔复合体（NPC）作为真核细胞中细胞质与细胞核之间分子运输的唯一通道，在生物学和生物医学领域发挥着至关重要的作用。然而，这种蛋白质纳米孔可能会被因 C9orf72 基因紊乱而产生的含精氨酸的蛋白质聚二肽重复序列（DPRs）堵塞，这是导致严重神经疾病的潜在原因。在此，我们首次报道了瞬态扫描电化学显微镜（SECM）的新应用，即定量表征 DPR 与 NPC 之间的相互作用。经量化，核孔复合体中具有神经毒性的甘氨酸 - 精氨酸和脯氨酸 - 精氨酸的二十个重复序列与纳米孔疏水运输屏障中苯丙氨酸 - 甘氨酸（FG）单元的数量相匹配。1:1 的化学计量比支持了这样一种假设，即 DPR 分子的胍基残基与 FG 单元的芳香族残基之间存在阳离子 -π 相互作用。然而，阳离子 -π 相互作用太弱，无法解释所测得的 DPR 从水转移到核孔复合体中的自由能。从热力学角度来看，DPR 的转移与核转运受体的转移一样有利，这通常被认为是由于 NPC 介导的大分子运输中存在的疏水相互作用所致。从动力学角度来看，DPRs 被 FG 单元捕获的时间比生理受体长得多，从而堵塞了纳米孔。值得注意的是，这种新的毒性机制表明，基因疗法要实现高效且安全的核输入，需要与核孔复合体有较强的结合力，同时又能快速从核孔复合体上解离。此外，这项工作展示了瞬态扫描电化学显微镜在确定生物膜与分子相互作用的热力学和动力学方面尚未被发掘的潜力。 我们揭示了含精氨酸的二肽重复序列如何与核孔复合体中运输屏障的苯丙氨酸 - 甘氨酸单元发生阳离子 -π 相互作用和疏水相互作用，从而阻断核质运输并产生严重的神经毒性。 Chemical Science Volume 15, Issue 38, 2 October 2024, Pages 15639-15646 Nanoscale interactions of arginine-containing dipeptide repeats with nuclear pore complexes as measured by transient scanning electrochemical microscopy。