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孫飛組揭示S-OPA1介導線粒體內膜融合的關鍵分子機制

發布時間:2020年04月16日

  2020年4月14日,生物大分子國家重點實驗室孫飛課題組在eLife上發表題為“Cryo-EM structures of S-OPA1 reveal its interactions with membrane and changes upon nucleotide binding”的研究成果。該項工作研究了人源線粒體內膜融合蛋白S-OPA1(Dynamin家族短型視神經萎縮蛋白)與線粒體內膜結合組裝的模式,發現了核苷酸結合所引起的S-OPA1構象和組裝的變化,提出了核苷酸結合所觸發的膜形變的分子機理。

  線粒體作為高度動態的細胞器,在細胞內呈現復雜動態的網絡形式。這種復雜網絡結構由線粒體的融合和分裂行為進行動態調節,但是線粒體的雙層膜結構給研究其融合和分裂行為的分子機制帶來了挑戰。視神經萎縮蛋白OPA1是介導線粒體內膜融合的關鍵蛋白。在生理狀態下,OPA1通過蛋白酶水解形成錨定在線粒體內膜上的長型L-OPA1和可溶的短型S-OPA1兩種活性形式。在L-OPA1與S-OPA1的共同作用下,線粒體內膜融合得以正常進行。當細胞處于一定壓力條件下,L-OPA1被全部剪切為S-OPA1,線粒體的融合過程被抑制。近期生物大分子國家重點實驗室胡俊杰課題組在PNAS發表了釀酒酵母線粒體內膜融合蛋白——Dynamin家族蛋白S-Mgm1的晶體結構,闡明了S-Mgm1如何通過高聚化促使線粒體內膜融合以及脊的生成(https://www.pnas.org/content/117/8/4061)。然而S-OPA1促使內膜融合具體分子機制尚不清楚。

  孫飛課題組利用冷凍電鏡螺旋三維重構技術,解析了剪切的短型S-OPA1與脂質體形成的螺旋三維結構。結構表明,與經典的Dynamin家族蛋白結構類似,S-OPA1也可分為用于GTP水解的GTPase結構域,介導高聚組裝狀態形成的Stalk區域和膜結合相關的EMB結構域三部分。在螺旋結構中,S-OPA1呈現出六股螺旋同時組裝的高聚形式,組裝中的最小不對稱單位為二體,相鄰不對稱單位之間有4個相互作用面,分別為I1,I2,I3,和P1 。這些作用面對stalk區域的相互作用及成管起至關重要的作用。突變體實驗表明EMB結構域中存在促使S-OPA1引起膜形變并進行管狀組裝的關鍵位點。進一步突變體實驗表明S-OPA1的成管過程與GTP的結合和水解無關,然而膜結合對于S-OPA1的GTP水解活性有顯著增強作用,提示GTP水解發生在S-OPA1促進膜融合的晚期過程。

  孫飛課題組又進一步借助冷凍電子斷層三維重構和體平均技術解析了GTPγS結合狀態下S-OPA1與脂質體形成的管狀復合物三維結構。與未結合核苷酸的結構相比,GTPγS結合之后的S-OPA1通過調節自身構象和組裝方式,使得其在脂質體管上的排列更加松散,從而引起了脂質體管直徑的擴張,這與過去Dynamin家族蛋白引起脂質體管直徑的縮小恰好相反,這一現象與OPA1誘導線粒體內膜融合的功能密切相關。

  該工作的通訊作者為生物大分子國家重點實驗室的孫飛研究員。孫飛課題組的張丹陽博士和張艷副研究員為本文的共同第一作者。

  感謝美國佛吉尼亞大學Edward Egelman教授在數據處理方面的幫助;本課題的所有電鏡相關工作在我所生物成像中心完成,感謝生物成像中心在電鏡樣品制備和數據收集方面的支持。

  文章鏈接:https://doi.org/10.7554/eLife.50294 

 

(供稿:孫飛研究組)

 

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