3Nature＋1Science為何同時聚焦線粒體鈣單向轉運通道蛋白？

撰文丨小白薯

責編丨迦 漵

2018年7月12日，Nature雜誌在線online了三篇研究長文，報道了線粒體鈣單向轉運蛋白（mitochondrial calcium uniporter ，MCU）的結構與功能；加上前一周在Science雜誌online的一篇，四篇文章系統的闡述了真菌中MCU的分子生物學機制【1-4】。筆者梳理了一下相關文章的異同，並附上通訊作者的簡介，與讀者共享。

線粒體Ca2+轉運對於調節ATP產生，細胞內鈣信號轉導，調節能量代謝，產生活性氧物質和調節細胞死亡至關重要，在線粒體生理學和病理生理學中扮演著重要角色。線粒體鈣單向轉運蛋白——MCU是一種高選擇性鈣離子通道，位於線粒體內膜，是鈣離子進入線粒體基質中的主要介質【5】。此前，MCU通道是如何催化離子滲透並實現離子選擇性的分子機制尚不清楚，部分原因在於MCU被認為與其他細胞通道相比具有獨特的結構。這四篇文章對分子機制的闡明邁出了重要一步。

四篇文章分別來自紀念凱特琳癌症中心、德克薩斯西南醫學中心、斯坦福大學和哈佛大學、杜克大學和Scripps研究所（關於四篇文章的信息，詳情見表1）。令人欣慰的是，通訊作者中四位華人科學家強強聯合，貢獻了其中兩篇論文。

表1. 四篇文章的基本信息對比

對比這些文章，可以總結出一些異同點。原子解析度或近原子解析度的結構都來自真菌；真菌裡面的結構顯示為四聚體（圖1）；主要是通過Cryo-EM方法解析。那麼為什麼會基本上都來自真菌呢？這是巧合嗎？答案是：非也非也。

圖1. NfMCU的Cryo-EM的電鏡結構及四聚體示意圖

在脊椎動物中，單向轉運蛋白（uniporter）是一種蛋白質複合物，或叫「uniplex」。主要由四種成分組成：離子導電孔（MCU），輔助跨膜蛋白質必需的MCU調節亞基（essential MCU regulator, EMRE）【6】和外周膜門控蛋白（mitochondrial calcium uptake 1和2, MICU1和MICU2）【7】。EMRE在維持處於開放狀態的MCU和招募MICU1/2方面發揮雙重作用，MICU1/2以Ca2+依賴的方式調節MCU的活動。

雖然MCU存在於幾乎所有的真核生物中，但是EMRE是後生動物特異性的。在大多數真菌中，基因序列分析表明MCU是uniporter的唯一組分【8】。功能誘變研究證明了來自真菌煙麴黴（Aspergillus fumigatus）的MCU直系同源物可以介導Ca2+轉運到線粒體中，該MCU同源物能夠在體內和體外自身重建通道活性【9,10】。這些研究表明MCU是單向的Ca2+導電孔形成單元，從而也開啟了真菌MCU的結構生物學研究大門。

雖然此前已經報道了各種分離的MCU結構域，如人類MCU的NTD【11】，線蟲MCU的N端結構域【12】，和人類MICU1的結構【13】，但是關於MCU通道如何裝配，門控和離子滲透的基本機制仍然沒有答案。

四篇文章對於機制的描述在細節上稍有區別，但總體結論一致。MCU的結構顯示均為四聚體結構（圖1），Ca2+的選擇性主要是由保守的酸性氨基酸決定的。在MCU的序列中，存在著DXXE保守基序，DXXE序列位於跨膜區的α-螺旋，且在四聚體的中心位置，形成MCU獨特的空隙（圖2和圖3）；酸性氨基酸與Ca2+的配位作用，膜間空間的電負性表面，以及降低Ca2+流入線粒體的能量屏障決定了MCU的高度選擇性（圖3）。

圖2.保守的DXXE基序

圖3.MCU選擇Ca2+的模式圖及生化實驗驗證結果

這四篇文章的結構解析，定義了在這個不尋常的通道中構成離子配位、滲透和鈣選擇性的原理（圖3a），揭示了新的離子通道結構，提供了鈣協調、選擇性和傳導的見解，並建立了理解線粒體鈣單向轉運功能機制的結構框架，為對通道組裝，選擇性鈣滲透和抑製劑結合提供了的理論依據。

當然，雖然這些MCU結構揭示了uniporter的基本特徵，但還需要進一步研究以解決關於後生動物uniporter功能的基本問題，例如後生動物MCU如何進化為需要EMRE進行離子傳導，以及MICU1和MICU2是如何賦予Ca2+依賴性對uniplex進行門控調節；同時，也需要更高解析度，各種狀態以及與各組分的複雜結構，才能更詳細的了解Ca2+選擇性和門控通道的分子機制。

Stephen Barstow long博士簡介

Stephen Barstow long博士本科畢業於Amherst College，獲物理學學士學位；後就讀於杜克大學，於2001年獲生物化學博士學位；2001-2007年在洛克菲勒大學從事博士後研究，合作導師是Mackinnon R教授（離子通道研究領域的巨牛，2003年諾貝爾化學獎獲得者）。long博士目前任職於Memorial Sloan Kettering Cancer Center，主要運用Cryo-EM、X-ray和功能研究方法研究真核生物的離子通道、膜蛋白及膜融合的分子機制。主要研究領域包鈣離子轉運蛋白、氯離子通道蛋白、isoprenylcysteine carboxyl methyltransferase（ICMT）等。據不完全統計，Stephen Barstow long 博士目前以第一作者或通訊作者在CNS正刊發表文章超過9篇。（實驗室主頁：https://www.mskcc.org/research-areas/labs/stephen-long

Youxing Jiang (姜有星)博士簡介

Youxing Jiang (姜有星) 教授博士畢業於耶魯大學，後在洛克菲勒大學從事博士後研究，合作導師也是Mackinnon R教授，與Stephen Barstow long博士是同事。姜老師目前是德克薩斯大學西南醫學中心教授、霍華德休斯醫學研究所研究員（HHMI）。主要研究領域是離子通道等膜蛋白，包括K+, Na+, Ca2+, and Cl-離子通道蛋白。主要結合使用X-ray、Cryo-EM，生物化學和電生理學等方法探測離子通道和轉運蛋白的功能，控制離子在細胞膜上的流動，解析該離子通道的分子機制。目前已發表論文超過40篇，包括以第一作者或通訊作者的十餘篇CNS正刊論文。（實驗室主頁：https://www.utsouthwestern.edu/labs/jiang-youxing/）

Xiao-chen Bai (白曉辰)博士簡介

Xiao-chen Bai (白曉辰) 博士本科和博士均畢業於清華大學，博士階段導師為施一公教授；後在英國MRC實驗室從事博士後研究。目前任職於美國德克薩斯西南醫學中心。目前主要運用Cryo-EM等手段，從事離子通道等膜蛋白研究。目前已發表CNS正刊論文十餘篇。（人物鏈接：https://www.utsouthwestern.edu/education/medical-school/departments/biophysics/faculty/）

Maofu liao (廖茂富)博士簡介

Maofu liao (廖茂富) 本科畢業於清華大學，2006年於 Albert Einstein College of Medicine獲得博士學位，後在加州大學洛杉磯分校從事博士後研究，合作導師是程亦凡老師（單顆粒冷凍電鏡的大牛，為EM的解析度的提升做出了巨大的貢獻）。目前任職於哈佛大學醫學院，主要運用cryo-EM等結構生物學手段，專註於了解蛋白質-DNA / RNA複合物和膜蛋白的結構和功能，如轉運蛋白和離子通道，包括揭示蛋白質如何感知，移動和轉化特定脂質分子的機制。目前的研究領域涵蓋RAG12複合物，CRISPR，ERAD蛋白通道和ABC轉運蛋白等。目前以第一作者或通訊作者發表文章在CNS正刊發表文章11篇。（實驗室主頁：https://liao.hms.harvard.edu）

Liang Feng (馮亮)博士簡介

Liang Feng本科畢業於清華大學，2006年博士畢業於普林斯頓大學，導師為施一公教授。目前任職於美國Stanford University醫學院，主要運用X-ray、Cryo-EM等生物物理學方法，研究膜蛋白的功能機制，為藥物開發提供靶點。目前已經以第一作者或通訊作者發表CNS正刊文章9篇。（實驗室鏈接：https://med.stanford.edu/profiles/liang-feng?tab=publications）

Seok-Yong Lee博士簡介

Seok-Yong Lee博士本科畢業於韓國延世大學，2003年博士畢業於加州大學伯克利分校。目前任職於杜克大學醫學院，主要從事膜生物化學，物理生物化學，結構生物學研究。研究手段包括X-ray和Cryo-EM。獲得美國NIH等多項資助。目前已在CNS主刊發表論文超過10篇。（人物鏈接：https://www.biochem.duke.edu/seok-yong-lee-primary）

Gabriel C. Lander博士簡介

Gabriel C. Lander博士目前任職於The Scripps Research Institute。研究重點是發現維持神經元完整性的分子機制。該實驗室結合多尺度高解析度3D成像，確定維持神經元完整性所涉及的精確神經元機制。研究領域包括阿爾茨海默氏症，帕金森氏症，Lou Gehrig"s和亨廷頓氏症等疾病的分子機制。主要研究手段包括EM、X-ray、NMR等。目前已發表高水平文章超過50篇，包括十餘篇CNS正刊論文。（實驗室主頁：http://www.lander-lab.com/index.php）

參考文獻

1. Baradaran, R., Wang, C., Siliciano, A. F. & Long, S. B. Cryo-EM structures of fungal and metazoan mitochondrial calcium uniporters.Nature,1 (2018).

2. Nguyen, N. X. et al. Cryo-EM structure of a fungal mitochondrial calcium uniporter.Nature, 1 (2018).

3. Fan, C. et al. X-ray and cryo-EM structures of the mitochondrial calcium uniporter.Nature,1 (2018).

4. Yoo, J. et al. Cryo-EM structure of a mitochondrial calcium uniporter.Science, eaar4056 (2018).

5. Kamer, K. J. & Mootha, V. K. The molecular era of the mitochondrial calcium uniporter.Nature reviews Molecular cell biology16, 545 (2015).

6. Sancak, Y. et al. EMRE is an essential component of the mitochondrial calcium uniporter complex.Science342, 1379-1382 (2013).

7. Kamer, K. J. & Mootha, V. K. MICU1 and MICU2 play nonredundant roles in the regulation of the mitochondrial calcium uniporter.EMBO reports, e201337946 (2014).

8 Bick, A. G., Calvo, S. E. & Mootha, V. K. Evolutionary diversity of the mitochondrial calcium uniporter.Science336, 886-886 (2012).

9. Wu, G. et al. Single channel recording of a mitochondrial calcium uniporter.Biochemical and biophysical research communications496, 127-132 (2018).

10. Song, J., Liu, X., Zhai, P., Huang, J. & Lu, L. A putative mitochondrial calcium uniporter in A. fumigatus contributes to mitochondrial Ca2+ homeostasis and stress responses.Fungal Genetics and Biology94, 15-22 (2016).

11. Lee, Y. et al. Structure and function of the N‐terminal domain of the human mitochondrial calcium uniporter.EMBO reports16, 1318-1333 (2015).

12. Oxenoid, K. et al. Architecture of the mitochondrial calcium uniporter.Nature533, 269 (2016).

13. Wang, L. et al. Structural and mechanistic insights into MICU1 regulation of mitochondrial calcium uptake.The EMBO journal33, 594-604 (2014).

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！