【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】2月10日，《美國國家科學院院刊》(PNAS)雜志在線發(fā)表了中國科學院生物物理研究所饒子和課題組、胡俊杰課題組和美國科學院院士JodiNunnari課題組合作的研究論文“Structural analysis of a trimeric assembly of the mitochondrial dynamin-like GTPase Mgm1”。該研究解析了線粒體內(nèi)膜融和蛋白Mgm1在結(jié)合GDP狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了Mgm1通過多模態(tài)聚合和多位點膜結(jié)合誘導融合所需的膜彎曲的分子機制模型。
線粒體(mitochondrion) 是一種存在于大多數(shù)細胞中的由兩層膜包被的細胞器，是細胞中制造能量的結(jié)構(gòu)，是細胞進行有氧呼吸的主要場所，被稱為"power house"。其直徑在0.5到1.0微米左右。
除了溶組織內(nèi)阿米巴、籃氏賈第鞭毛蟲以及幾種微孢子蟲外，大多數(shù)真核細胞或多或少都擁有線粒體，但它們各自擁有的線粒體在大小、數(shù)量及外觀等方面上都有所不同。
線粒體擁有自身的遺傳物質(zhì)和遺傳體系，但其基因組大小有限，是一種半自主細胞器。除了為細胞供能外，線粒體還參與諸如細胞分化、細胞信息傳遞和細胞凋亡等過程，并擁有調(diào)控細胞生長和細胞周期的能力。
饒子和與胡俊杰團隊前期合作闡明了線粒體外膜融合蛋白Mitofusin(MFN)介導膜拴連和融合的機制。然而，線粒體內(nèi)膜的融合更為復雜，雖然該反應(yīng)也依賴于發(fā)動蛋白超家族的Mgm1或OPA1蛋白，但這些蛋白在發(fā)揮功能時又通過蛋白酶水解衍生出含跨膜區(qū)的長型和可溶性的短型，兩者缺一不可。內(nèi)膜融合的缺陷導致線粒體DNA的丟失，小鼠的胚胎致死。但是其分子機制仍舊不甚明了。
饒子和和閆利明團隊解析了釀酒酵母Mgm1蛋白短型全長的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其單體構(gòu)象與膜裂解蛋白發(fā)動蛋白-1(Dynamin-1)很相似，又形成了首尾相接的三聚體以及反向背靠背的二聚體。胡俊杰課題組通過酶活測定、體外多聚體分析和膜結(jié)合等生化實驗驗證了結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。Nunnari課題組此前獨立在酵母細胞中進行了Mgm1的結(jié)構(gòu)功能驗證，發(fā)現(xiàn)與本文中解析的結(jié)構(gòu)高度吻合，同時也平行驗證了Mgm1存在至少兩個膜結(jié)合位點的重要發(fā)現(xiàn)。
酵母(saccharomyce) 是基因克隆實驗中常用的真核生物受體細胞，培養(yǎng)酵母菌和培養(yǎng)大腸桿菌一樣方便。酵母克隆載體的種類也很多。酵母菌也有質(zhì)粒存在，這種2μm 長的質(zhì)粒稱為2μm 質(zhì)粒，約6 300bp。這種質(zhì)粒至少有一段時間存在于細胞核內(nèi)染色體以外，利用2μm 質(zhì)粒和大腸桿菌中的質(zhì)粒可以構(gòu)建成能穿梭于細菌與酵母菌細胞之間的穿梭質(zhì)粒。酵母克隆載體都是在這個基礎(chǔ)上構(gòu)建的。
該研究投稿的過程中，德國的一個團隊報道了嗜熱毛殼菌短型Mgm1的晶體和電鏡結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)該蛋白可以像膜裂解發(fā)動蛋白一樣在膜上纏繞成多聚體，以介導線粒體嵴的發(fā)生和膜融合可能需要的膜彎曲。本研究發(fā)現(xiàn)的“背靠背”結(jié)合界面在嗜熱毛殼菌Mgm1中保守，但首尾相連的界面和多位點膜結(jié)合等發(fā)現(xiàn)此前未有報道。因此，本研究提出的全新模型很好地整合了Mgm1膜結(jié)合的特點，也部分解釋了為何一個形似裂解蛋白的發(fā)動蛋白成員能夠反過來介導融合。
饒子和、JodiNunnari和胡俊杰是論文的共同通訊作者。饒子和課題組的閆利明、胡俊杰課題組的齊元博及Nunnari課題組的Derek Ricketson為論文的共同第一作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和NIH基金等的支持。
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