按下暫停鍵：窺見膜蛋白復合體組裝瞬間

線粒體外膜轉位酶復合體組裝示意圖。川一工作室供圖

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

　　多年來，科學家一直試圖“窺探”這個高精度流水線的奧秘。

　　8月27日，《科學》在線發表了湖北洪山實驗室、華中農業大學作物遺傳改良國家重點實驗室和生命科學技術學院蛋白質科學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位酶復合體（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

　　線粒體是細胞質中一個雙層膜結構的細胞器。“超過1000種線粒體蛋白質中，99%都來自細胞核基因編碼。”殷平告訴《中國科學報》，細胞核基因在細胞質中翻譯為蛋白前體，相應的蛋白前體來到線粒體外膜，通過線粒體外膜轉位酶復合體進入線粒體。

　　“線粒體外膜轉位酶復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合體，包括核心通道Tom40（β桶膜蛋白）和6個跨膜蛋白——調控蛋白Tom5、Tom6和Tom7，以及受體蛋白Tom20、Tom22和Tom70。

　　中南大學湘雅醫院教授邱健告訴《中國科學報》，此前很多科學家嘗試用生物化學方法來分析線粒體外膜轉位酶復合體的組成和組裝。但是，線粒體外膜轉位酶復合體的組裝是一個瞬時、多步驟且高度動態的過程，很難捕捉到組裝瞬態的結構。

　　而且，線粒體外膜轉位酶復合體是蛋白前體進入線粒體的門戶，如果降低該復合體的某個組分，勢必會影響成熟的線粒體外膜轉位酶復合體的功能，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，線粒體外膜轉位酶復合體的組裝需要線粒體分選組裝機器（SAM）協助。線粒體分選和組裝機器也是一類蛋白質復合體。但是，線粒體分選組裝機器如何協助線粒體外膜轉位酶復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，殷平課題組就關注相關問題的研究。為了分離相關組裝中間體，他們首先在人胚胎腎細胞系統中共表達酵母線粒體外膜轉位酶復合體的幾個亞基。

　　“有趣的是，我們未能獲得線粒體外膜轉位酶復合體的核心。”殷平發現，當把酵母線粒體外模轉位酶復合體的“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、華中農業大學生命科學學院博士王強說，他們另辟蹊徑，利用哺乳動物細胞重組表達系統重構了該組裝過程，并實現精準控制，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位酶復合體組裝過程的多個中間態，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，首次解析了兩個重要中間態的高分辨三維結構，并結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位酶復合體的分子機制。

　　殷平解釋說，把線粒體外膜轉位酶復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。

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

　　巧思妙想值得借鑒

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

　　殷平認為，線粒體外膜轉位酶復合體負責把外界蛋白前體運到線粒體內部的重要工作，弄清楚其組裝過程可以幫助科學家更好地探究線粒體蛋白的生物發生，為線粒體疾病治療和作物遺傳改良提供理論基礎。“這項研究的手段和成果有助于為葉綠體蛋白生物發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位酶復合體的組件放到哺乳動物線粒體中去組裝的方法，破解了傳統方法無法捕獲瞬態的難題。

　　邱健表示，生命活動中很多過程都是高度動態的，傳統生物化學方法很難捕捉到某一個瞬態。“這是一個很好的啟發，其他系統涉及瞬態過程的類似問題，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位酶復合體組裝的全過程。他希望，線粒體外膜轉位酶復合體的組裝過程能為設計膜蛋白、創制新藥提供有益的理解。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abh0704