Nature： 线粒体膜重塑关键蛋白作用机制

来源：BioArt

线粒体融合和分裂保持平衡是维持线粒体正常生理功能的关键。融合通过混合正常线粒体和部分损伤线粒体的内容物减轻应激反应；分裂是形成新的线粒体所需要的，同时能够去除损伤的线粒体实现品质控制，在高度细胞应激状态下促进凋亡【1】。线粒体的融合和分裂都涉及到膜的重塑过程。线粒体内膜的重塑在真菌中由dynamin样蛋白Mgm1（mitochondrial genome maintenance 1）介导，在动物中由OPA1（optic atrophy 1）介导。

Mgm1是酵母中保护线粒体DNA所必需的，人类中OPA1基因发生突变导致常染色体显性视神经萎缩。Mgm1和OPA1在线粒体中存在两种形式：膜整合的长链形式，内外膜之间可溶性的短链形式。Mgm1和OPA1在线粒体内膜的融合中有重要作用，酵母中表达突变的Mgm1或哺乳动物细胞中缺失OPA1导致线粒体碎片化【2,3】，Mgm1的缺失不影响线粒体外膜的融合。Mgm1和OPA1能够维持内嵴的正确结构，短形式的OPA1定位于线粒体的收缩位点，促进线粒体的分裂。Mgm1和OPA1在膜融合、分裂和维持内嵴结构方面有多种功能，但具体机制目前尚不清楚。

2019年7月11日，来自德国的Werner Kühlbrandt和Oliver Daumke团队在Nature上发表了题为Structure and assembly of the mitochondrial membrane remodelling GTPase Mgm1的文章，解析了嗜热毛壳菌（Chaetomium thermophilum）的Mgm1的晶体结构和电子低温断层扫描结构，并揭示了Mgm1的stalk结构域介导四聚体聚合形成螺旋细丝，以及四聚体在正向或负向弯膜聚集。这一项工作从结构的角度解释了Mgm1和OPA1动态重塑线粒体内膜的机制。

研究人员首先解析了嗜热毛壳菌（C. thermophilum）的Mgm1单体的晶体结构。Mgm1包含4个结构域：G、BSE（bundle signaling element）、stalk和paddle结构域。G结构域与人dynamin蛋白极为相似，保留了介导dynamin超家族二聚化的‘G interface’。相邻的BSE结构域由Mgm1不同区域的3个螺旋组成。Mgm1的stalk结构域比dynamin的stalk要短，由反向平行的四螺旋束组成。Paddle是Mgm1所特有的，位于stalk顶端的三螺旋结构域，插入到stalk螺旋中。Mgm1能够高效率地和Floch liposomes结合，并增加GTPase的活性，但是paddle结构域的突变则降低了结合效率和GTPase的活性。而且paddle结构域包含膜结合位点，与liposomes结合导致Mgm1以规则的模式进行微管化，并包被到膜的表面。Mgm1的二聚体晶体结构显示二聚化作用界面（interface-2）包括一个疏水核心。突变interface-2的氨基酸残基降低Mgm1和liposomes的结合及GTPase的活性，interface-2对于Mgm1在膜表面聚集非常重要。2个Mgm1二聚体通过stalk作用界面（stalk interface 1）形成四聚体。位于stalk interface 1和BSE-stalk的突变虽然对Mgm1和liposomes的相互作用过程没有影响，但是严重损伤酵母的呼吸生长过程、线粒体基因组的维持过程和线粒体的形态修复过程。

研究团队进一步使用电子低温断层扫描技术（Cryo-ET）解析膜结合Mgm1的结构。结果显示，Mgm1在脂质管（lipid tube）的外侧和内侧形成螺旋状晶格结构，但两者四聚体的排列模式完全不同。外侧的Mgm1四聚体的晶体结构和sub-tomogram average volume非常适配，G结构域处于闭合的构象，离膜最远；stalk处于中间；paddle位于膜的附近。螺旋丝状骨架由stalk通过interface-1和interface-2进行寡聚化形成，paddle结构域间相互接触。而内侧中相邻的四聚体间通过BSE和stalk结构域中保守的patch相互连接，更加类似于四聚体晶体结构中的线性排列方式。活体荧光共聚焦成像试验显示，Mgm1可以在正向或负向弯膜表面稳定地聚集。

总的来说，该研究解析了Mgm1的单体、二聚体、四聚体晶体结构及Mgm1在脂质管内侧和外侧聚集的结构，揭示了Mgm1参与线粒体内膜动态重塑过程的机制。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1372-3

参考文献

1. Youle, R. J. & van der Bliek, A. M. Mitochondrial fission, fusion, and stress. Science 337, 1062–1065 (2012).

2. Meeusen, S. et al. Mitochondrial inner-membrane fusion and crista maintenance requires the dynamin-related GTPase Mgm1. Cell 127, 383–395 (2006).

3. Cipolat, S., Martins de Brito, O., Dal Zilio, B. & Scorrano, L. OPA1 requires mitofusin 1 to promote mitochondrial fusion. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 15927–15932 (2004).