重磅！中山大學腫瘤防治中心高嵩教授團隊首次解析了人類MFN1的晶體結構並提出線粒體外膜融合機制的模型

隨著近年來科研經費的持續增加，中國基礎科學研究進步明顯，在國際頂尖學術期刊上中國科學家發表的高水平學術論文也越來越多，部分研究領域經常會有重大突破性進展。

《自然》（Nature）、《科學》（Science）和《細胞》（Cell）作為目前國際上最頂尖的學術期刊，每期發表文章數量都很少，發表文章基本也代表了相關領域的頂尖研究成果。儘管2017年剛剛了過去一個月左右，中國科學家已經發表9篇研究性論文，勢頭非常強勁。

2017年以來中國科學家發表的9篇NSC論文中，就有中山大學的一項研究成果，該成果於2017年1月23日在線發表於英國《自然》雜誌（Nature）。

中山大學腫瘤防治中心高嵩課題組首次解析了MFN1片段在不同GTP水解狀態下的晶體結構，闡明了MFN1水解GTP的機制，並提出了MFN1介導線粒體外膜栓連的模型。這為進一步闡明線粒體外膜的融合機制以及線粒體形態的變化和相應生理功能的正常發揮之間的關係提供了研究基礎。同時，還為研究相關神經退行性疾病和癌症的發病機制以及干預手段提供了信息。該研究成果於2017年1月23日在線發表於英國《自然》雜誌（Nature）。

圖1：MFN1的晶體結構和水解GTP機制的模型圖

線粒體是一種存在於大多數真核細胞中的由兩層膜包被的半自主細胞器。線粒體是細胞的「能量工廠」，並且在細胞信號轉導、分化和凋亡等過程中也發揮重要作用。在細胞中，線粒體不斷地進行融合和分裂來維持動態的網路結構和正常的生理功能。

線粒體外膜的融合是由一種名為mitofusin的蛋白所介導的。人體中的mitofusin包含MFN1和MFN2（統稱MFNs）兩個同源蛋白。MFNs功能的異常會導致線粒體呈現碎片化的非正常形態，並且與多種疾病密切相關。例如，MFN2突變可以導致遺傳性疾病腓骨肌萎縮症的發生，MFN1和MFN2的異常表達與腫瘤細胞逃避細胞凋亡有密切的關係。

MFN1/2是dynamin超家族的成員，二者的序列相似度高達77%。它們都含有一個N端的GTPase結構域、兩個緊鄰的跨膜區（TMs），以及分別位於膜兩側的兩個螺旋結構域HR1和HR2。

其中，MFN1/2的TMs插入線粒體外膜，其餘部分朝向細胞質。GTPase 結構域主要起催化水解 GTP 的作用，而HR1/2可能起調節線粒體膜毗連或融合的作用。大量研究表明，MFN1/2的GTPase活性對線粒體外膜的融合是必須的。

此前，有關mitofusin的結構學信息只涉及MFN1HR2區域。該結構顯示，HR2在晶體上摺疊成反向平行的二聚體。他們認為這種反向平行的兩股螺旋（coiledcoil）結構為線粒體毗連（tether）甚至融合（fusion）提供了結構基礎。然而，mitofusin由於缺乏較為完整晶體結構，其介導線粒體外膜融合的分子機制仍不是很清楚。

中山大學腫瘤防治中心高嵩教授帶領的研究團隊經過不懈地摸索和嘗試，得到一系列結晶的構建——內部截短的MFN1（MFN1IM），並解析了MFN1IM在不同GTP水解狀態下的晶體結構。MFN1IM包含有GTPase結構域、HR1的N端部分和HR2的C端部分（圖1a）。

結構顯示，GTPase結構域由8股α螺旋包裹著8條β摺疊組成；HR1/2的兩個部分利用強的疏水相互作用一起組成四股螺旋束，被命名為結構域HD1。HD1通過Arg74和Lys336與GTPase結構域連接（圖1b）。相對於無核苷酸結合（apo）、GDP或GTP結合狀態下的單體結構，MFN1IM在催化間態類似物GDP?AlF4-結合的狀態下通過GTPase結構域形成二聚體（圖1c）。

體外實驗也證實了這種二聚體的存在。一旦打斷GTPase結構域相互作用（G-G）界面的鹽橋，MFN1在催化間態無法發生二聚化，並且喪失GTP酶活性以及導致線粒體片段化。他們還發現一個保守的色氨酸開關控制鳥苷酸配體的進入。在apo狀態下，鳥苷酸結合位置被Trp239佔據。隨著GTP的進入，Trp239被推走，嵌入由Met249和Phe282形成的疏水口袋。與此同時，催化間態下二聚體形成的關鍵氨基酸Glu209、Arg238等擺向合適的位置以利於與另一個GTPase結構域相應氨基酸形成鹽橋。在催化間態，GTP中高能磷酸鍵斷裂，磷酸基團尚未脫離，MFN1IM通過Glu209和Arg238等氨基酸搭成的鹽橋發生二聚化。隨著磷酸基團的釋放，相應氨基酸又逐漸恢復最初構象（圖1d）。GTP的水解需要親核試劑去中和高能磷酸鍵中的磷酸基團所攜帶的強負電。在MFN1中，存在一個帶正電的氨基酸殘基His107發揮親和攻擊的作用。因而，mitofusin保守的His107是催化水解GTP的關鍵氨基酸。

課題組部分成員合影

與dynamin家族其他成員相比較，發現MFN1IM的拓撲結構與介導細菌膜融合的蛋白BDLP（bacteria dynamin-like protein）最為相似。除了GTPase結構域，MFN1IM的HD1與BDLP的neck相似。因而，他們推測，MFN1IM缺失的部分HD2的摺疊可能跟BDLP的trunk區域相似。基於MFN1IM與BDLP三維結構的高相似度和前面的研究，他們提出MFN1介導線粒體外膜栓連的模型。

該研究成果於2017年1月23日在線發表於英國《自然》雜誌（Nature）。文章的第一作者是2014級博士生曹雨露，通訊作者是高嵩教授。加州理工大學（Caltech）的David Chan教授和ShuxiaMeng參與了該研究項目。