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折叠线粒体膜的艺术

2019-06-19 14:42:55 • 来源：

Oliver Daumke的实验室弄清楚线粒体的内膜如何“得到它们的凹槽”，并假设它们具有执行关键细胞功能所需的复杂形状。

折叠线粒体膜的艺术

大约20亿年前，外国细菌侵入了一个牢房的祖先并在那里永久居住。这种共生关系对两种生物都是如此有益，以至于它们在所有后代都得到了保护。今天，寄生虫以细胞器的形式存在，称为线粒体。他们有自己的基因组，不能再在外面生存，我们的细胞需要他们提供的服务。已经在癌症，一系列神经病症和其他疾病中观察到它们的结构缺陷。

位于亥姆霍兹联合会(MDC)的MaxDeldelbrück分子医学中心的Oliver Daumke小组现已解决了一个关于线粒体结构的重要谜团。在本期“自然通讯”的一篇论文中，来自弗莱堡，洪堡和哈勒 - 维滕贝格大学的实验室成员和合作者揭示了蛋白质在线粒体膜中构建复杂褶皱的作用。结果是一个迷宫，具有精确的曲折结构，允许细胞器发挥作用。

线粒体的膜具有两层：面向细胞环境的外层，其是光滑的和壳状的，连接到折叠和起皱的内膜。如果你认为这两种膜是布料，那么效果就像在手套内缝制的手套。你的手将代表线粒体的内容，手指之间的空隙将是科学家称之为嵴的两个膜之间的管状间隙。

建立一个手指般的脚手架

这些长而向内的褶皱带有参与线粒体代谢和能量产生活动的蛋白质。当线粒体融合在一起或分裂以产生新的拷贝时，嵴可能具有额外的功能。如果它们的折叠结构受到干扰，线粒体可能会分解并释放对细胞有毒的物质。

将嵴视为手指之间的空间，然后手套与手套的“外膜”相交的指尖之间的间隙是嵴连接点或CJ。在这些位置存在称为MICOS的分子机器，由至少七种蛋白质组成，它们在赋予膜适当形状方面起着至关重要的作用。

“有证据表明两种MICOS蛋白Mic10和Mic60对折叠和嵴形成特别重要，”主要作者Manuel Hessenberger说。“去除任何一种都会导致膜和细胞器的结构发生深刻变化。如果没有Mic10或Mic60，嵴会分离并用额外的膜堆填充线粒体。”当电池产生过多的Mic10或Mic60时，会发生其他类型的变形。

Oliver Daumke的研究小组专门研究结构生物学，其目的是了解分子物理结构与细胞行为之间的联系。对Mic10的研究表明，蛋白质倾向于组装成弯曲的支架，沿着它们所结合的膜吸引。研究人员认为，这有助于将膜弯曲成它们必须形成的尖锐曲线以构建嵴。但Mic60的功能尚不清楚。

锐利但稳定的曲线

Manuel Hessenberger在试管中进行了实验，将蛋白质添加到构成膜的脂质构建块中。这导致脂质形成类似于嵴的长管状形状。“通过直接结合和重塑膜，”Manuel Hessenberger说，“Mic60在嵴连接的形成和塑造嵴中起着重要作用。”

科学家发现了Mic60中与膜结合的确切位点。当Mic60未集成到MICOS复合物中时，它会以一种屏蔽该膜结合位点并防止其结合的方式折叠。当MICOS复合物的另一个组件Mic19与Mi60结合时，这会发生变化。“这种组合将蛋白质复合物锚定在嵴和线粒体外膜之间的接触点上，”Daumke解释道。“一旦他们在那里，他们就可以重塑内膜，使其能够在嵴上形成尖锐的弯曲，并将整个物体固定在一起。”

Mic60以稳定曲率的方式将自身插入膜中。他将它与一种橡皮筋相比较，你可以在相邻的指尖周围环绕，控制它们之间的距离。如果在嵴之间的接合处失去该控制，则结构失去其形状并且膜中的折叠不能保持。

线粒体的生物学一直难以研究，因为科学家们缺乏操纵细胞器基因的工具。Daumke小组的突破来自于重建试管中MICOS复合物的部分并研究蛋白质与膜的相互作用。他们的工作首次定义了Mic60和Mic19在线粒体结构中的作用，将蛋白质结构与其活性联系起来。在这样做的过程中，它解释了分子中的特定突变如何破坏很久以前徘徊在真核细胞中的古老细胞器的形式，然后成为它们生存的必要条件。

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