线粒体Ca2+在调节ATP的产生、细胞分裂以及细胞死亡方面发挥着重要作用，线粒体的Ca2+摄取由位于线粒体内膜上的线粒体钙单向转运体（mitochondrial Ca2+uniporter, MCU）完成。2011年该复合物被鉴定以来，围绕该复合物的研究异常火热。完整的高等真核生物的线粒体钙单向转运体主要由四个亚基组成，包括核心亚基MCU、EMRE以及辅助亚基MICU1、MICU2，低钙下，MICU1/MICU2抑制Ca2+通过MCU进入线粒体，高钙下MICU1/MICU2促进MCU的Ca2+转运。结构生物学家争先求索，由组成比较简单的真菌复合物入手，逐渐深入到复杂的人源复合物，从结构生物学的角度揭示了MCU领域的许多重大问题，尤其解释了低Ca2+下MICU1/MICU2如何抑制Ca2+通过MCU进入线粒体，相关文章发表在Nature、Cell、Science和Elife等杂志上【1-6】。然而悬而未决的问题是：高Ca2+下MICU1/MICU2如何实现对MCU的激活？EMRE为什么是高等真核生物必需的？
2020年8月30日，清华大学杨茂君课题组在Protein & Cell在线发表了题为 Structure of intact human MCU supercomplex with the auxiliary MICU subunits 的研究论文（该工作于2020年4月4日率先在BioRxiv上线）。研究团队使用哺乳动物细胞系统表达纯化了包含辅助亚基MICU1/MICU2的人源线粒体钙单向转运体的复合物，并通过冷冻电镜解析了完整的MCU-EMRE-MICU1-MICU2的复合物结构。MCU:EMRE:MICU1:MICU2的比例为8：8：2：2，跨膜区结合了丰富的磷脂。位于膜间隙的一对MICU1/MICU2异源二聚体像“帽子”一样，位于V型MCU-EMRE八聚体的边缘，形成整体呈现O型的结构。MICU1/MICU2 C端螺旋锚定在线粒体内膜上，进而在不同Ca2+浓度条件下将MICU1/MICU2始终固定在MCU/EMRE的周围。MICU1/MICU2通过EMRE与MCU关联起来，每一个MICU1分别与两个EMRE相互作用，相互作用位点位于MICU1的N端poly K、S339K340K341结构域和EMRE的C末端。图1 完整的MCU-EMRE-MICU1-MICU2结构和验证研究组发现，在EMRE KO细胞中，回补EMRE C末端截短突变体后，细胞的Ca2+转运能力显著下降；而在MICU1/MICU2/EMRE 3KO细胞中，回补EMRE C末端截短体的细胞和回补完整EMRE的细胞具有相同的Ca2+转运能力，揭示了高Ca2+下MICU1/MICU2通过与EMRE C末端相互作用进而促进Ca2+离子转运。结构显示，MCU的R297和EMRE的V61主链上的碳，以及磷脂的头部形成氢键，Ca2+转运实验揭示了打破这些相互作用的MCU R297D突变体完全丧失了Ca2+转运能力。综合结构分析和转运实验，研究组提出了高等真核生物的EMRE通过杠杆机制介导MICU1/MICU2调节Ca2+转运的作用机理。图2 EMRE通过杠杆机制介导MICU1/MICU2调节Ca2+转运模型总的来说，该工作报道了目前为止分辨率最高的MCU-EMRE-MICU1-MICU2的结构，结构分析结合功能验证回答了高Ca2+下MICU1/MICU2如何实现对MCU的激活和 EMRE为什么是高等真核生物必需的这两个重要问题。据悉，清华大学生命学院杨茂君教授、课题组博士后卓微和南方科技大学王培毅教授为本文共同通讯作者，清华大学生命学院博士后卓微、周珩、郭润域、张来幸和博士生易静波为本文共同第一作者。值得一提的是，在2019年5月9日，来自美国得克萨斯大学西南医学中心（University of Texas, Southwestern Medical Center）的姜有星（Youxing Jiang）研究团队与同单位合作者白晓辰（Xiao-chen Bai）在Cell 杂志在线发表了题为Structural mechanism of EMRE-dependent gating of the human mitochondrial calcium uniporter 的研究论文，利用单颗粒冷冻电镜技术解析的人类线粒体钙离子通道——MCU-EMRE复合物的三维结构（详见BioArt报道：Cell | 姜有星/白晓辰合作揭示线粒体钙离子通道复合物的结构机制）。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（详见BioArt报道：Nature | 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）。http://link.springer.com/article/10.1007/s13238-020-00776-wFan, 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 Jun;582(7810):129-133.
- 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. 2019 May 16;177(5):1252-1261.
- 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. 2018 Jul;559(7715):575-579.
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本文转载自公众号“BioArt”（BioGossip）
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