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  2. 研究进展

冯亮等线揭示粒体响应胞质钙信号从而调控钙摄取的分子机制

众所周知,线粒体是细胞的能量供应站;与此同时,它也是细胞内钙信号网络的一个重要节点。线粒体钙摄取在细胞的正常生理功能中起非常重要的作用,包括刺激ATP的产生、抑制自噬、对胞质内钙信号进行整流以及调节细胞死亡。虽然线粒体钙摄取现象在1961年就已经被发现,但直到50年后人们才逐步从分子层面上认识这个现象背后神秘的介导者——线粒体钙单向转运蛋白(mitochondrial calcium uniporter)【1】

线粒体钙单向转运蛋白存在于绝大部分的真核生物,它在人体内主要由四个蛋白亚基组成,包括形成离子通道的MCU、对MCU活性非常关键的EMRE以及调节MCU活性的MICU1和MICU2(该复合物又被称为Uniplex)。生化和生理研究暗示MICU1和MICU2对MCU活性的调节涉及一种门控机制:当细胞处于静息状态、胞质内钙离子(Ca2+)浓度较低时,MICU1-MICU2 抑制Ca2+通过MCU进入线粒体;而当细胞受到信号刺激、胞质内Ca2+浓度升高并超过一定阈值时(约大于1 mM),MICU1-MICU2则允许Ca2+通过MCU进入线粒体。这种门控机制不仅有效地防止了线粒体在细胞静息状态下摄入过量Ca2+从而导致氧化损伤甚至细胞死亡,而且又能使线粒体对胞质钙信号进行响应和整流从而完成正常的细胞生理过程。

很多疾病(包括心脏病和神经系统疾病等)都被发现与线粒体钙紊乱有关。经过多年努力,该领域的多方面研究取得了一些关键进展,真菌MCU的结构【3-6】以及人源MCU-EMRE亚复合物的结构【7】也已经得到解析。但是MCU-EMRE-MICU1-MICU2完整复合物的结构却一直空缺,而这对于人们理解MICU1-MICU2对MCU的门控机制却是至关重要的。

2020年5月20日,斯坦福大学冯亮实验室与科罗拉多大学Ming-Feng Tsai实验室及哈佛大学廖茂富实验室合作在Nature上发表文章“Structure and mechanism of the mitochondrial Ca2+ uniporter holocomplex【2】通过冷冻电镜解析了人源MCU-EMRE-MICU1-MICU2完整复合物的结构,进而阐明了MICU1-MICU2对MCU的门控机制。这是继两年前冯亮实验室联合廖茂富实验室合作在Nature发表了真菌MCU的结构【3】后,在该领域取得的又一次突破性进展。

冯亮等线揭示粒体响应胞质钙信号从而调控钙摄取的分子机制
冯亮等线揭示粒体响应胞质钙信号从而调控钙摄取的分子机制

处于低Ca2+(左)和高Ca2+(右)条件下的人源Uniplex的结构

研究人员经过摸索,克服多重困难,在HEK293 细胞中成功共表达人源MCU、EMRE、MICU1和MICU2并获得了完整的复合物Uniplex。随后,他们利用单颗粒冷冻电镜解析了处于低Ca2+和高Ca2+浓度条件下的Uniplex的结构,整体分辨率分别为3.3埃和3.6埃。

处于低Ca2+的Uniplex结构显示MCU:EMRE:MICU1:MICU2的比例为4:4:1:1,MICU1-MICU2像盖子一样扣在MCU-EMRE四聚体的线粒体膜间隙侧表面,从而堵住了Ca2+ 的入口处。值得注意的是,结构显示MICU1而非MICU2直接与MCU相互作用,从而澄清了MICU1和MICU2的具体作用。处于高Ca2+的Uniplex结构显示MICU1-MICU2移位到MCU-EMRE四聚体的边缘,此时MICU1已不再堵住Ca2+入口处,因此让Ca2+可以自由通过MCU 通道。此外,结构显示EMRE将MICU1-MICU2维系在MCU的附近,从而使得MICU1-MICU2在响应胞质Ca2+ 浓度升高而移开时不至于从MCU-EMRE上掉落,进而能够在胞质内Ca2+浓度降低时迅速地移回来继续堵住MCU。研究人员进一步利用功能实验验证了结构上的发现;并且还发现Uniplex形成二体可能有助于其定位于线粒体内膜和外膜接触点,从而促进线粒体从胞质中摄取Ca2+该研究不仅阐明了线粒体响应胞质钙信号从而调控钙摄取的分子机制,也为基于Uniplex的药物设计提供了新的思路。

该Nature文章共同第一作者为冯亮实验室的博士后范敏锐张金儒以及Ming-Feng Tsai实验室的博士后Chen-Wei Tsai冯亮Ming-Feng Tsai为通讯作者。

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2309-6

1. Kamer, K. J. & Mootha, V. K. The molecular era of the mitochondrial calcium uniporter.

Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 16, 545–553 (2015).

2. Fan, M.*, Zhang, J.*, Tsai, C.-W.*, Orlando, B. J., Rodriguez, M., Xu, Y., Liao, M., Tsai, M.-F.#, Feng, L#. Structure and mechanism of the mitochondrial Ca2+ uniporter holocomplex. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2309-6

3. Fan, C.*, Fan, M.*, Orlando, B. J.*, Fastman, N. M.*, Zhang, J., Xu, Y., Chambers, M. G., Xu, X., Perry, K., Liao, M.#, Feng, L#. X-ray and cryo-EM structures of the mitochondrial calcium uniporter. Nature 559, 575–579 (2018)

4. Baradaran, R., Wang, C., Siliciano, A. F. & Long, S. B. Cryo-EM structures of fungal and

metazoan mitochondrial calcium uniporters. Nature 559, 580–584 (2018).

5. Nguyen, N. X., Armache, J. P., Lee, C., Yang, Y., Zeng, W., Mootha, V. K., Cheng, Y., Bai, X.-C., Jiang, Y. Cryo-EM structure of a fungal mitochondrial calcium uniporter. Nature 559, 570–574 (2018).

6. Yoo, J., Wu, M., Yin, Y., Herzik, M. A. Jr, Lander, G. C., Lee, S.-Y. Cryo-EM structure of a mitochondrial calcium uniporter. Science 361, 506–511 (2018).

7. Wang, Y., Nguyen, N. X., She, J., Zeng, W., Yang, Y., Bai, X.-C., Jiang, Y. Structural mechanism of EMRE-dependent gating of the human mitochondrial calcium uniporter. Cell 177, 1252–1261 (2019).

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