蛋白質(zhì)科學(xué)研究團隊在線粒體分選轉(zhuǎn)運機制研究中取得突破
2020年9月8日，我校作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院蛋白質(zhì)科學(xué)研究團隊與清華大學(xué)閆創(chuàng)業(yè)研究員合作在Cell Research雜志在線發(fā)表題為“Cryo-EM structure of the human mitochondrial translocase TIM22 complex”的研究論文，在國際上首次報道了線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶TIM22復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
線粒體在細胞生命活動中執(zhí)行至關(guān)重要的作用，包括能量代謝、細胞程序性死亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、氨基酸生物合成、蛋白質(zhì)質(zhì)量控制和降解等。人類線粒體含有約1500種蛋白。在線粒體進化過程中，其遺傳系統(tǒng)經(jīng)過重排，大多數(shù)線粒體的自身基因被轉(zhuǎn)移至細胞核或者丟失。因此，線粒體中99%的蛋白需要在細胞質(zhì)中核糖體上合成并精確的轉(zhuǎn)運到特定的線粒體亞結(jié)構(gòu)區(qū)域，才能發(fā)揮其功能。線粒體蛋白轉(zhuǎn)運由線粒體蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)負責(zé)，該系統(tǒng)主要含有六種蛋白轉(zhuǎn)運復(fù)合物：線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶（TOM）、線粒體內(nèi)膜前導(dǎo)序列轉(zhuǎn)位酶（TIM23）、線粒體內(nèi)膜載體蛋白轉(zhuǎn)位酶（TIM22）、線粒體外膜分選和裝配機器（SAM）、線粒體轉(zhuǎn)運復(fù)合物（MIM）和線粒體膜間隙轉(zhuǎn)運與裝配機器（MIA）。線粒體轉(zhuǎn)運系統(tǒng)缺陷或功能紊亂，會導(dǎo)致多種復(fù)雜的人類疾病，例如癌癥、神經(jīng)退行性疾病和肌肉組織相關(guān)疾病。
載體蛋白是一類定位于線粒體內(nèi)膜，含有六次跨膜螺旋的膜蛋白；它通過促進特定的底物擴散通過線粒體內(nèi)膜或者利用膜電勢轉(zhuǎn)運代謝物質(zhì)，來完成代謝物質(zhì)轉(zhuǎn)運進入或者轉(zhuǎn)出線粒體基質(zhì)。載體蛋白生物發(fā)生由TOM和TIM22復(fù)合物完成。TIM22復(fù)合物負責(zé)載體蛋白轉(zhuǎn)運和插入到線粒體內(nèi)膜。人源TIM22復(fù)合物包含至少6個組分：Tim22、Tim29、Tim9、Tim10a、Tim10b and AGK。盡管在TIM22復(fù)合物的功能和疾病發(fā)生研究中取得了很大進展，但是TIM22復(fù)合物的結(jié)構(gòu)特征和載體蛋白的轉(zhuǎn)運機制依然不清楚。
在該研究中，我校蛋白質(zhì)科學(xué)研究團隊成功將TIM22復(fù)合物6個亞基在哺乳動物細胞表達體系中共表達，通過冷凍電鏡的方法進行數(shù)據(jù)收集和處理，解析了TIM22復(fù)合物的近原子分辨率結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，在TIM22復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，含有1分子Tim22、Tim29、AGK蛋白；含有2個分子伴侶六聚體復(fù)合物Tim9/10a（3:3）和Tim9/10a/10b（2:3:1）（圖1）。Tim29是一個單次跨膜蛋白，通過其N端螺旋來穩(wěn)定Tim22蛋白結(jié)構(gòu)；同時通過其C端膜間隙結(jié)構(gòu)域與AGK和2個分子伴侶六聚體復(fù)合物相互作用來維持TIM22復(fù)合物的完整性（圖1）。Tim9/10a復(fù)合物接受通過線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶TOM復(fù)合物通道的載體蛋白前體，并傳遞給Tim9/10a/10b復(fù)合物，最后呈遞給Tim22蛋白。Tim22蛋白包含4個跨膜螺旋，形成一個開口朝向脂雙層的空腔，推測該空腔參與載體蛋白的插膜和橫向分選到線粒體內(nèi)膜過程。該研究揭示了TIM22復(fù)合物的自身裝配和詳細的結(jié)構(gòu)信息，為進一步理解和研究載體蛋白通過TIM22復(fù)合物插入到線粒體內(nèi)膜的分子機制提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時也為線粒體轉(zhuǎn)運系統(tǒng)相關(guān)疾病提供潛在的藥物靶點。
我校生科院博士生漆良波、王強和官澤源為該論文共同第一作者。殷平教授和閆創(chuàng)業(yè)研究員為共同通訊作者。前期冷凍樣品制備和樣品篩選主要在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)電鏡平臺完成。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集在浙江大學(xué)冷凍電鏡中心完成。該研究受到了科技部基金、國家自然科學(xué)基金、校自主創(chuàng)新基金的資助。
文章鏈接：http://www.nature.com/articles/s41422-020-00400-w
圖1 線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)位酶TIM22復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
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