Nature | 线粒体内膜如何融合——视神经萎缩蛋白1的螺旋结构解析
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线粒体是双层包裹的细胞器，线粒体内膜（inner mitochondrial membrane，IMM）上有内凹的线粒体嵴【1】。线粒体膜的融合和分裂过程是由动力蛋白超家族蛋白（DSPs）驱动的，对线粒体的动态组织和调控至关重要【1】。对于线粒体外膜（OMM），线粒体融合素1和2（MFN1和MFN2）以及动力蛋白相关蛋白（DRP1）分别介导融合和分裂【2】。而对于线粒体内膜，视神经萎缩蛋白1（optic atrophy protein 1，OPA1）介导内膜融合、嵴的形态变化，线粒体DNA的维护，以及分裂（图1a）【1】。在体内，OPA1存在两种形式：跨膜长形式（l-OPA1）与IMM相连，而短的可溶形式（s-OPA1）则由内膜空间内的蛋白酶切割S1位点产生（图1b）【3】。在融合过程中，OPA1的这两种形式将来自不同线粒体的两个内膜融合在一起。
OPA1是疾病主导性视神经萎缩（DOA）中最常见的突变基因，是导致儿童失明的主要原因之一【4】。目前有超600个OPA1致病性突变可能导致视力丧失、听力丧失、共济失调和肌无力【4】。从分子水平上讲，这是由于线粒体功能障碍，包括了线粒体网络的断裂、线粒体DNA的丧失和线粒体呼吸功能的丧失。因此，需要为DOA开发治疗方法，这引起了科学家对OPA1的兴趣，但OPA1在膜重塑中的作用机制仍然不清楚。以前对OPA1的结构研究表明与其他DSPs类似，但这些研究对病理性OPA1突变的认识仍然不足，以及缺乏能促使其高阶组装形成的膜环境。
2023年8月23日，来自美国NIH的Jenny E. Hinshaw课题组在Nature上发表了题为“OPA1 helical structures give perspective to mitochondrial dysfunction”的文章，通过使用冷冻电镜解析了OPA1在脂质膜上的螺旋结构，揭示了其高阶寡聚化的组装结构。此外，本研究中发现的结构特征还揭示了致病性点突变对蛋白质折叠、蛋白质之间组装和膜相互作用的影响，为OPA1的致病机理提供了结构基础。
图1 s-OPA1在核苷酸存在下的冷冻电镜结构
作者解析了人源s-OPA1组装在含有心磷脂的脂双层上的螺旋组装结构，分别为有核苷酸（GDP- GDP-AlFx）分辨率为3.86 Å和无核苷酸分辨率为5.8 Å的结构（图1c-1g）。单体的s-OPA1由N端无规则卷，BSE，GTP酶结构域，茎部（stalk），桨叶（paddle）组成（图1b和1c）。两个单体的s-OPA1可以组装为二聚体（图1d和图1e），定义了3个相互作用界面（图1e）。两个二聚体可以通过桨叶间相互作用（界面4）形成更高阶的四聚体（图1f和图1g），进而形成环形螺旋的结构。
图2 比较s-OPA1二聚体在结合或不结合GDP-AlFx状态下区别
当结合核苷酸后，s-OPA1的GTP酶会发生25度左右的移动（图2a），从而使得两个单体的GTP酶发生相互作用（界面5）导致二聚化（图2b）。通过分析两种状态的区别，可以发现未结合核苷酸的s-OPA1组装较松散（图2c上），而结合核苷酸的较为结实（图2d上）。两种状态的桨叶结构域（橙色）与膜的作用稍有差异，结合核苷酸的Pα2-4的尖端和桨叶铰链Pα6插入膜的距离更深（图2c和图2d下）。作者推测在核苷酸结合后，GTP酶结构域二聚化导致s-OPA1与膜的相互作用变强，使得桨叶插入膜更深，整体结构更为紧实。
图3 OPA1突变体对于线粒体功能的影响
随后，作者对OPA1的突变体对于细胞线粒体功能的影响进行了细胞实验，发现野生型的线粒体呈现为纤维型（图3a），而相互作用界面的氨基酸或者是桨叶上的氨基酸进行突变后，则会导致线粒体呈现为片段型（图3b，3c和3d）。说明OPA1的作用界面及膜结合区域的突变会造成线粒体无法融合，是OPA1在膜上的组装被破坏造成了表型改变，而不是影响OPA1的生成过程所造成表型改变。
图4 由s-OPA1介导的线粒体内膜融合模型
最后，作者提出了由s-OPA1介导的线粒体内膜融合的模型。在线粒体融合的早期阶段，线粒体外膜融合将线粒体的内膜空间连接起来，并将它们的线粒体内膜相靠近（图4a左图）。然后，来自两个线粒体内膜上的OPA1单体相互靠近（图4a右图）；再逐渐形成寡聚体，组装为灵活的螺旋，使膜膨胀并造成两个线粒体内膜相互靠拢（图4b）；随后核苷酸结合，使得螺旋组装有序并变得紧密，将线粒体内膜拉的足够近以促进融合（图4c）；融合结束后，OPA1寡聚的螺旋结构解螺旋（图4d左），两个线粒体融合为一个单一的线粒体（图4d右）。
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06462-1
参考文献
参考文献
【1】Quintana-Cabrera, R. & Scorrano, L. Determinants and outcomes of mitochondrial dynamics. Mol. Cell 83, 857–876 (2023).
【2】Giacomello, M., Pyakurel, A., Glytsou, C. & Scorrano, L. The cell biology of mitochondrial membrane dynamics. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 21, 204–224 (2020).
【3】Cogliati, S. et al. Mitochondrial cristae shape determines respiratory chain supercomplexes assembly and respiratory efficiency. Cell 155, 160–171 (2013).
【4】Wai, T. & Langer, T. Mitochondrial dynamics and metabolic regulation. Trends Endocrinol. Metab. 27, 105–117 (2016).
供稿 | 朱盎岐
审稿 | 李浩田
责编 | 囡囡
排版 | 可洲
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