線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝示意圖。川一工作室供圖

　　線粒體是真核細胞物質(zhì)代謝和能量代謝的主要場所。它就像一個精密設(shè)計的工廠，超過1000種蛋白質(zhì)在流水線上飛快運轉(zhuǎn)。蛋白質(zhì)的正確運輸、分選和組裝是線粒體正常行使功能的前提。

　　多年來，科學(xué)家一直試圖“窺探”這個高精度流水線的奧秘。

　　8月27日，《科學(xué)》在線發(fā)表了湖北洪山實驗室、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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)研究團隊教授殷平課題組的最新成果。他們揭示了線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體（TOM）組裝的分子機制，窺見了線粒體高精度流水線的“起點”。

　　組裝過程高度動態(tài)

　　線粒體是細胞質(zhì)中一個雙層膜結(jié)構(gòu)的細胞器。“超過1000種線粒體蛋白質(zhì)中，99%都來自細胞核基因編碼。”殷平告訴《中國科學(xué)報》，細胞核基因在細胞質(zhì)中翻譯為蛋白前體，相應(yīng)的蛋白前體來到線粒體外膜，通過線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體進入線粒體。

　　“線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體就好像一輛運輸車。”殷平說，這輛“車”是由7個亞基組成的膜蛋白復(fù)合體，包括核心通道Tom40（β桶膜蛋白）和6個跨膜蛋白——調(diào)控蛋白Tom5、Tom6和Tom7，以及受體蛋白Tom20、Tom22和Tom70。

　　中南大學(xué)湘雅醫(yī)院教授邱健告訴《中國科學(xué)報》，此前很多科學(xué)家嘗試用生物化學(xué)方法來分析線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組成和組裝。但是，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝是一個瞬時、多步驟且高度動態(tài)的過程，很難捕捉到組裝瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)。

　　而且，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體是蛋白前體進入線粒體的門戶，如果降低該復(fù)合體的某個組分，勢必會影響成熟的線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的功能，從而干擾對其組裝過程的研究。因此，“研究難度很大”。

　　已有研究表明，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝需要線粒體分選組裝機器（SAM）協(xié)助。線粒體分選和組裝機器也是一類蛋白質(zhì)復(fù)合體。但是，線粒體分選組裝機器如何協(xié)助線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝的分子機制尚不清楚。

　　“按下暫停鍵”

　　“我們的方法就是為組裝過程按下了暫停鍵。”殷平說。

　　從2019年開始，殷平課題組就關(guān)注相關(guān)問題的研究。為了分離相關(guān)組裝中間體，他們首先在人胚胎腎細胞系統(tǒng)中共表達酵母線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的幾個亞基。

　　“有趣的是，我們未能獲得線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的核心。”殷平發(fā)現(xiàn)，當把酵母線粒體外模轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的“零件”放到人胚胎腎細胞的線粒體中時，組裝過程停滯了。

　　論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士王強說，他們另辟蹊徑，利用哺乳動物細胞重組表達系統(tǒng)重構(gòu)了該組裝過程，并實現(xiàn)精準控制，人為為組裝按下“暫停鍵”。該方法使得研究者捕獲了線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝過程的多個中間態(tài)，并獲得其蛋白樣品。

　　獲得樣品后，他們利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了兩個重要中間態(tài)的高分辨三維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合功能分析闡明了線粒體分選組裝機器組裝，以及釋放線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的分子機制。

　　殷平解釋說，把線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體想象成一輛運輸車，線粒體分選組裝機器就像流水線上的“機械手”，首先裝上車輛“外殼”Tom40，再裝上兩個“輪子”Tom5和Tom6，然后用Tom7這個“扳手”把組裝好的“外殼”和“輪子”從“機械手”上卸下來。之后它們會進行下一個組裝步驟。

　　“我們現(xiàn)在搞清楚了線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體是如何在‘流水線’上組裝和釋放的。”殷平說。

　　巧思妙想值得借鑒

　　“這是一個設(shè)計非常巧妙的實驗，把酵母的一套蛋白質(zhì)折疊機器放到了人的線粒體里面去，從而發(fā)現(xiàn)了別人捕捉不到的東西，填補了這個領(lǐng)域的空白。”邱健說。

　　殷平認為，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體負責(zé)把外界蛋白前體運到線粒體內(nèi)部的重要工作，弄清楚其組裝過程可以幫助科學(xué)家更好地探究線粒體蛋白的生物發(fā)生，為線粒體疾病治療和作物遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。“這項研究的手段和成果有助于為葉綠體蛋白生物發(fā)生機制研究提供新視角。”

　　此外，殷平告訴記者，將酵母線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組件放到哺乳動物線粒體中去組裝的方法，破解了傳統(tǒng)方法無法捕獲瞬態(tài)的難題。

　　邱健表示，生命活動中很多過程都是高度動態(tài)的，傳統(tǒng)生物化學(xué)方法很難捕捉到某一個瞬態(tài)。“這是一個很好的啟發(fā)，其他系統(tǒng)涉及瞬態(tài)過程的類似問題，也許可以通過相似的思路尋找答案。”

　　殷平說，下一步他們將完善線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝的全過程。他希望，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝過程能為設(shè)計膜蛋白、創(chuàng)制新藥提供有益的理解。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abh0704