近日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李龍研究組與李晴研究組合作在Cell Research?雜志發(fā)表了題為“Structure of the mitochondrial TIM22 complex from yeast”的研究論文。

線粒體是能量產(chǎn)生的動(dòng)力工廠，是許多細(xì)胞過程必不可少的，如脂類和氨基酸代謝、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞凋亡等。線粒體功能障礙與帕金森綜合癥、癌癥和心血管疾病等多種人類疾病息息相關(guān)。目前已知，線粒體有1000多種蛋白質(zhì)，其中大部分由細(xì)胞核DNA編碼，并從細(xì)胞質(zhì)中導(dǎo)入線粒體的雙層膜結(jié)構(gòu)中，而這些蛋白的導(dǎo)入機(jī)制非常不清楚。在1000多種線粒體蛋白中，很大一類跨膜蛋白需要通過TIM22復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)膜中。釀酒酵母（S. cerevisiae）中的TIM22復(fù)合體包含7個(gè)亞基：Tim22、Tim18、Tim54、Sdh3、Tim9、Tim10、Tim12，其中Tim22被認(rèn)為是核心亞基。雖然早在2003年就有關(guān)于TIM22復(fù)合物負(fù)染結(jié)構(gòu)的報(bào)道，但是由于TIM22復(fù)合物組分眾多、內(nèi)源表達(dá)量低、純化復(fù)雜等眾多原因，導(dǎo)致一直無法獲得其高分辨率結(jié)構(gòu)，進(jìn)而阻礙了人們對(duì)于TIM22復(fù)合物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白機(jī)制的理解。

在本研究中，作者采用釀酒酵母（S. cerevisiae）內(nèi)源TIM22復(fù)合體作為研究對(duì)象，通過冷凍電鏡技術(shù)首次獲得了該復(fù)合物3.8?分辨率的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中可以清晰的識(shí)別出7個(gè)亞基的位置和構(gòu)象。

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酵母源TIM22復(fù)合物七個(gè)亞基的結(jié)構(gòu)

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從結(jié)構(gòu)中可以看出TIM22復(fù)合物中膜外區(qū)的小Tim亞基形成了六聚體環(huán)，并以約45°的傾角位于膜上，可用于接收轉(zhuǎn)運(yùn)底物并將底物傳送至Tim22亞基。在膜內(nèi)區(qū)，Tim18、Sdh3和Tim22彼此靠近。三個(gè)膜亞基一起為小的Tim亞基六聚體環(huán)提供了對(duì)接平臺(tái)。Tim22有4個(gè)跨膜區(qū)形成一個(gè)曲面，凹面面向脂類，凸面面向Tim18。

與先前的研究表明TIM22復(fù)合物可能作為雙孔轉(zhuǎn)位酶的結(jié)論有很大不同，此TIM22復(fù)合物的結(jié)構(gòu)未顯示出明顯的底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道[1]。作者認(rèn)為，單個(gè)Tim22亞基可能足以作為一個(gè)跨膜肽段插入酶。Tim22的第二個(gè)跨膜區(qū)中帶電殘基的分布可能會(huì)減少局部脂質(zhì)膜的厚度，較薄的膜中的帶電環(huán)境可以極大地降低跨膜肽段插入的能量勢(shì)壘，從而幫助底物入膜。還有一種可能是該結(jié)構(gòu)揭示的TIM22復(fù)合物是處于無底物狀態(tài)或者底物轉(zhuǎn)運(yùn)中間態(tài)的構(gòu)象。在膜電位的驅(qū)動(dòng)下，TIM22復(fù)合物，特別是Tim22亞基，可能經(jīng)歷構(gòu)象變化而寡聚化并形成孔道。

總之，TIM22復(fù)合物的結(jié)構(gòu)揭示了其7個(gè)亞基的精妙組成。Tim18-Sdh3和Tim22為固定Tim9-Tim10-Tim12提供了一個(gè)對(duì)接平臺(tái)。Tim9-Tim10-Tim12位于組裝的中心，可能接收底物并將其傳遞給Tim22。Tim54有助于將Tim9-Tim10-Tim12保持在傾斜狀態(tài)。Tim22可以在通道內(nèi)或膜內(nèi)創(chuàng)造親水環(huán)境，以促進(jìn)膜蛋白底物插入膜內(nèi)。本項(xiàng)研究為今后線粒體內(nèi)膜蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理的研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

李龍為該論文通訊作者，2018級(jí)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生張妤彤和資深實(shí)驗(yàn)員歐曉敏為共同第一作者。李晴組的博士生王雪征負(fù)責(zé)了酵母遺傳表型實(shí)驗(yàn)。李寧寧、王國(guó)鵬、向燁在冷凍電鏡數(shù)據(jù)分析上提供了幫助，高寧教授為文章提出了寶貴意見。該研究工作得到北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心、生科院儀器中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及北大清華-生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] Rehling, P. et al. Protein Insertion into the Mitochondrial Inner Membrane by a Twin-Pore Translocase. Science299, 1747, doi:10.1126/science.1080945 (2003).

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來源：北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院