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夏荻团队揭示完整折叠蛋白的跨膜运输机制

线粒体作为细胞的能量工厂,通过其内膜上的五个呼吸链复合物(I, II, III,IV和V)把细胞内的养分转化成化学能(ATP)。作为呼吸链重要组成部分,复合物III是由22个蛋白亚基组成,其中铁硫蛋白(ISP)是复合物III的一个非常重要的功能亚基。这些蛋白亚基是如何按顺序组装起来是一个重要的研究课题,任何在装配过程中引入的错误会导致致命的疾病。然而这方面的研究相当匮乏。

2020年2月10日,美国国家癌症研究所(NCI)夏荻实验室在Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表文章Structures of AAA protein translocase Bcs1 suggest translocation mechanism of a folded protein发现了Bcs1蛋白将铁硫蛋白运输通过线粒体内膜的机制,这对于作为细胞能量工厂的线粒体的生成极为重要。铁硫蛋白是线粒体内膜上复合物III的重要主成部分,与细胞呼吸链复合物I,II,IV及V一起通过氧化还原反应将细胞内的养分转化成生物体所需的ATP和能量。这项研究帮助揭示了细胞呼吸链复合物III的组装过程,并精确定位Bcs1蛋白上许多导致严重遗传疾病的突变点。

夏荻团队揭示完整折叠蛋白的跨膜运输机制

完美折叠整合的铁硫蛋白包含三个部分:N-端域留在线粒体基质里, C-端的功能域则在线粒体膜间隙(内外膜之间的狭小空间),以及连接这两端的一个跨膜螺旋区横跨线粒体内膜。不同于其他很多蛋白,铁硫蛋白含有一个重要的铁硫基团(2Fe2S),而这样的铁硫基团只能在线粒体中合成。所以铁硫蛋白最先在细胞质中合成时是不含铁硫基团的,并以展开线状的形式被输送到线粒体基质中并在那里它的C-端功能域重新折叠和加装铁硫基团。那么这个C-端功能域是如何再次跨过线粒体内膜并最终到达线粒体膜间隙的呢?并且在被运输通过线粒体内膜的过程中不被解构。到目前为止,还没有研究描述过输送这样一个直径约25Å的完整蛋白域跨过真核生物膜的机制。值得指出的是通常蛋白质跨膜转送的形式是将蛋白解链线性输送。更重要的是这样的机制还不能破坏或影响跨膜的质子动力势(proton motive force, PMF)。质子动力势对ATP合成及一系列细胞功能至关重要。

能实现这个任务的是一个叫Bcs1的蛋白, 属于AAA 蛋白家族 (ATPase associated with various cellular activities) 。序列分析揭示Bcs1蛋白由三个功能域组成:N-端的单螺旋跨膜区,中间的Bcs1-特有域(Bcs1 specific domain), 以及C-端的AAA结构域。

NCI的资深研究员(senior  investigator)夏荻指出:“长久以来,生物学家知道铁硫蛋白需要先经过折叠成熟后再被跨膜运输,但对这个转运的过程和机理知之甚少。通过研究同源的小鼠Bcs1蛋白(mBcs1,与人的BCS1L蛋白序列相似度为94%)我们发现小鼠Bcs1蛋白更适合于结构与功能方面的研究。这是我们成功关键。这也是相关机理第一次被发现阐明。” 利用冷冻电镜和X射线晶体学,夏荻研究组解析了Bcs1蛋白在三种不同状态下的高分辨率结构,从而为解释铁硫蛋白的运输过程提供了重要的实验依据。1)不同于常见的AAA蛋白形成的六聚体狭窄转运通道,Bcs1蛋白用七个单体来形成一个桶状通道,这可能为容纳并运输折叠铁硫蛋白提供了空间。2)在没有核苷酸结合的初始状态下(apo mBcs1),Bcs1转运通道的平均直径为40Å,容积达到28,000Å3,足以容纳铁硫蛋白。因此铁硫蛋白可能在此状态下进入通道。3)当Bcs1的AAA结构域与ATP结合时(ATP-bound mBcs1),所有的Bcs1单体发生构象变化,表现在其通道直径变为20Å,容积收缩为初始状态的30%,从而将铁硫蛋白的C-端功能域(head domain)挤出通道,仅剩其跨膜螺旋区还留在通道内。与此同时转运通道入口的直径也从40Å缩小到20Å,确保底物不会从转运通道入口退出。4)最后ATP水解成ADP,Bcs1将铁硫蛋白运输释放到线粒体内膜上复合物III处,同时回到初始构象,也就是与ADP结合时的构象(ADP-bound mBcs1)

Bcs1结构的解析及分析让夏荻的研究团队进一步发现Bcs1蛋白上不同位置的突变与两种遗传性疾病有关:GRACILE综合症和Bjornstead综合症。突变的Bcs1无法将铁硫蛋白组装到呼吸链复合物III上,造成呼吸链复合物III缺乏,细胞呼吸过程受阻。然而突变发生在Bcs1蛋白的不同位置时,疾病的表现和预后也不尽相同。当Bcs1特有的结构域(Bcs1 specific domain)发生突变时,不仅呼吸链复合物III无法组装形成,且质子动力势(proton motive force)也受影响,患儿会出现肝脏和肾脏衰竭进而早夭,即GRACILE综合症。当突变发生在Bcs1的AAA 结构域时,仅有呼吸链复合物III的组装受影响,表现为患儿听力受损,但是整体症状相对较轻对病人寿命影响不大,即Bjornstead综合症。具体的Bcs1突变造成的疾病的临床症状因人而异,可能会落在这两个极端表现之间。

这项研究成果有着巨大的应用前景。比如,可以以此为靶点研发新的抗细菌和真菌的药物,这尤其对农业生产有帮助,因为复合物III是已知的抗菌抗虫的重要靶点。夏荻研究员也期待着有朝一日,这项研究成果可以用于新的抗癌药物的研发。“沿着这条路,我们也许可以针对癌细胞的呼吸链来治疗癌症,尽管仅仅这一项措施可能并不足够:癌症细胞可以通过其它通道比如糖酵解过程把葡萄糖转化成能量,从而绕过呼吸链。但是新的研究表明,癌症治疗可以同时针对性地抑制这两条产生能量的通路,从而有效的杀死癌症细胞。但是在把这项研究成果转化应用于癌症治疗前,还有许多工作要做。”

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41594-020-0373-0

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