線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝示意圖。川一工作室供圖

　　線粒體是真核細(xì)胞物質(zhì)代謝和能量代謝的主要場所。它就像一個(gè)精密設(shè)計(jì)的工廠，超過1000種蛋白質(zhì)在流水線上飛快運(yùn)轉(zhuǎn)。蛋白質(zhì)的正確運(yùn)輸、分選和組裝是線粒體正常行使功能的前提。

　　多年來，科學(xué)家一直試圖“窺探”這個(gè)高精度流水線的奧秘。

　　8月27日，《科學(xué)》在線發(fā)表了湖北洪山實(shí)驗(yàn)室、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院蛋白質(zhì)科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)教授殷平課題組的最新成果。他們揭示了線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體（TOM）組裝的分子機(jī)制，窺見了線粒體高精度流水線的“起點(diǎn)”。

　　組裝過程高度動(dòng)態(tài)

　　線粒體是細(xì)胞質(zhì)中一個(gè)雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器?！俺^1000種線粒體蛋白質(zhì)中，99%都來自細(xì)胞核基因編碼。”殷平告訴《中國科學(xué)報(bào)》，細(xì)胞核基因在細(xì)胞質(zhì)中翻譯為蛋白前體，相應(yīng)的蛋白前體來到線粒體外膜，通過線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體進(jìn)入線粒體。

　　“線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體就好像一輛運(yùn)輸車?！币笃秸f，這輛“車”是由7個(gè)亞基組成的膜蛋白復(fù)合體，包括核心通道Tom40（β桶膜蛋白）和6個(gè)跨膜蛋白——調(diào)控蛋白Tom5、Tom6和Tom7，以及受體蛋白Tom20、Tom22和Tom70。

　　中南大學(xué)湘雅醫(yī)院教授邱健告訴《中國科學(xué)報(bào)》，此前很多科學(xué)家嘗試用生物化學(xué)方法來分析線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組成和組裝。但是，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝是一個(gè)瞬時(shí)、多步驟且高度動(dòng)態(tài)的過程，很難捕捉到組裝瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)。

　　而且，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體是蛋白前體進(jìn)入線粒體的門戶，如果降低該復(fù)合體的某個(gè)組分，勢必會(huì)影響成熟的線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的功能，從而干擾對(duì)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(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝需要線粒體分選組裝機(jī)器（SAM）協(xié)助。線粒體分選和組裝機(jī)器也是一類蛋白質(zhì)復(fù)合體。但是，線粒體分選組裝機(jī)器如何協(xié)助線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝的分子機(jī)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?！币笃秸f。

　　從2019年開始，殷平課題組就關(guān)注相關(guān)問題的研究。為了分離相關(guān)組裝中間體，他們首先在人胚胎腎細(xì)胞系統(tǒng)中共表達(dá)酵母線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的幾個(gè)亞基。

　　“有趣的是，我們未能獲得線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的核心?！币笃桨l(fā)現(xiàn)，當(dāng)把酵母線粒體外模轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的“零件”放到人胚胎腎細(xì)胞的線粒體中時(shí)，組裝過程停滯了。

　　論文共同第一作者、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士王強(qiáng)說，他們另辟蹊徑，利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞重組表達(dá)系統(tǒng)重構(gòu)了該組裝過程，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)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(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝過程的多個(gè)中間態(tài)，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(shù)，首次解析了兩個(gè)重要中間態(tài)的高分辨三維結(jié)構(gòu)，并結(jié)合功能分析闡明了線粒體分選組裝機(jī)器組裝，以及釋放線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的分子機(jī)制。

　　殷平解釋說，把線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體想象成一輛運(yùn)輸車，線粒體分選組裝機(jī)器就像流水線上的“機(jī)械手”，首先裝上車輛“外殼”Tom40，再裝上兩個(gè)“輪子”Tom5和Tom6，然后用Tom7這個(gè)“扳手”把組裝好的“外殼”和“輪子”從“機(jī)械手”上卸下來。之后它們會(huì)進(jìn)行下一個(gè)組裝步驟。

　　“我們現(xiàn)在搞清楚了線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)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(gè)設(shè)計(jì)非常巧妙的實(shí)驗(yàn)，把酵母的一套蛋白質(zhì)折疊機(jī)器放到了人的線粒體里面去，從而發(fā)現(xiàn)了別人捕捉不到的東西，填補(bǔ)了這個(gè)領(lǐng)域的空白。”邱健說。

　　殷平認(rèn)為，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體負(fù)責(zé)把外界蛋白前體運(yùn)到線粒體內(nèi)部的重要工作，弄清楚其組裝過程可以幫助科學(xué)家更好地探究線粒體蛋白的生物發(fā)生，為線粒體疾病治療和作物遺傳改良提供理論基礎(chǔ)。“這項(xiàng)研究的手段和成果有助于為葉綠體蛋白生物發(fā)生機(jī)制研究提供新視角?！?/p>

　　此外，殷平告訴記者，將酵母線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組件放到哺乳動(dòng)物線粒體中去組裝的方法，破解了傳統(tǒng)方法無法捕獲瞬態(tài)的難題。

　　邱健表示，生命活動(dòng)中很多過程都是高度動(dòng)態(tài)的，傳統(tǒng)生物化學(xué)方法很難捕捉到某一個(gè)瞬態(tài)。“這是一個(gè)很好的啟發(fā)，其他系統(tǒng)涉及瞬態(tài)過程的類似問題，也許可以通過相似的思路尋找答案?！?/p>

　　殷平說，下一步他們將完善線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體組裝的全過程。他希望，線粒體外膜轉(zhuǎn)位酶復(fù)合體的組裝過程能為設(shè)計(jì)膜蛋白、創(chuàng)制新藥提供有益的理解。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abh0704