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破解领域难题,华中农大团队研究荣登《科学》:“定格”线粒体膜蛋白复合物动态组装

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学术经纬 2021-09-13 09:36

▎药明康德内容团队编辑

近日,顶尖学术期刊《科学》发表了一篇来自华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室、生命科学技术学院蛋白质科学研究团队的最新论文。殷平教授领衔的团队,揭示了线粒体外膜(TOM)转位酶复合体的组装过程,并阐明了线粒体分选组装机器(SAM)协助组装和释放这一复合体的分子机制

在人类中,TOM转位酶复合体与一些线粒体疾病有关,如帕金森病。阐明TOM转位酶复合物的组装机制,有助于为治疗线粒体疾病开发疗法提供线索。

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线粒体作为真核细胞的能量代谢“工厂”,对动植物的正常生长发育至关重要。线粒体运行需要1000多种蛋白质,其中99%由细胞核基因编码。这些蛋白质的“前体“从细胞质来到线粒体的外膜,绝大部分由TOM转位酶复合体“运输”进入线粒体。

TOM转位酶复合体由7个亚基组成,包括核心通道Tom40(β桶膜蛋白)和6个跨膜蛋白——调控蛋白Tom5、Tom6和Tom7,以及受体蛋白Tom20、Tom22和Tom70。在Tom70和Tom20缺席的情况下,其余亚基形成稳定的TOM核心复合体。

TOM转位酶复合体的组装是一个多步骤、高度动态的过程。先前的研究表明,其组装需要线粒体外膜SAM复合物的协助,然而具体如何协助的分子机制并不清楚。

在这项研究中,科学家们巧妙地设计实验,让这个高速的组装过程“定格”。他们发现,把酵母中的TOM转位酶复合体“零件”放入人胚胎肾细胞的线粒体中,组装过程就像被按下暂停键一样停滞,由此破解了领域内多年来无法捕获瞬态的难题

该研究通讯作者殷平教授(图片来源:华中农业大学殷平实验室主页)

研究人员捕获了TOM核心复合体组装过程中的多个中间态,并获得了蛋白样品。随后利用单颗粒冷冻电镜技术,首次解析了两个重要中间态的高分辨率三维结构。结合功能分析,研究人员还阐明了线粒体SAM复合体在组装和释放TOM转位酶复合体时的作用。

结果显示,Sam37主要通过静电相互作用稳定成熟的Tom40,从而促进随后的TOM组装;Tom7则会促使组装好的Tom40/Tom5/Tom6脱离SAM复合体。

TOM转位酶核心复合体的组装过程(图片来源:参考资料[3])

殷平教授指出,线粒体外膜转位酶复合体负责把外界蛋白前体运到线粒体内部的重要工作,弄清楚其组装过程可以更好地探究线粒体蛋白的生物发生,为线粒体疾病治疗和作物遗传改良提供理论基础;同时,这项研究的手段和成果有助于为叶绿体蛋白生物发生机制研究提供新视角。

参考资料:

[1] Qiang Wang et al., (2021) Structural insight into the SAM-mediated assembly of the mitochondrial TOM core complex. Science. Doi: 10.1126/science.abh0704

[2] Zeyuan Guan et al. (2021) Structural insights into assembly of human mitochondrial translocase TOM complex. Cell Discovery. Doi: 10.1038/s41421-021-00252-7

[3] 《科学》杂志在线发表我校民盟盟员殷平教授蛋白质科学研究团队研究成果 Retrieved Sep. 6, 2021 from https://tzb.hzau.edu.cn/info/1015/3246.htm

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