新研究揭示人類線粒體核糖體形成機(jī)制

【資料簡(jiǎn)介】

在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自瑞典斯德哥爾摩大學(xué)、卡羅琳斯卡研究所、美國(guó)國(guó)家糖尿病、消化及腎臟疾病研究所、邁阿密大學(xué)、芬蘭赫爾辛基大學(xué)和英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員利用英國(guó)鉆石光源（Diamond Light Source）電子生物成像中心（electron Bio-Imaging Centre）的低溫電子顯微鏡（cryo-EM）*揭示了人體中的能量制造者是如何形成的。

這篇論文報(bào)告了對(duì)人類線粒體中膜錨定蛋白（membrane-tethered protein）合成的分子機(jī)制的深入了解。這是對(duì)人類線粒體核糖體（mitoribosome ）如何運(yùn)作的一個(gè)基本的新認(rèn)識(shí)，可以解釋線粒體如何受到突變和功能失調(diào)的影響，從而導(dǎo)致耳聾等障礙和包括癌癥在內(nèi)的疾病。

線粒體是細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器，在我們的身體中充當(dāng)著微小但強(qiáng)大的能量工廠。它們利用我們吸入的氧氣和我們吃的食物的衍生物來(lái)產(chǎn)生90%以上的能量，因此有效地支持我們的生命。線粒體對(duì)心臟、肝臟、肌肉和大腦等高能量需求的器官尤為重要。比如，每個(gè)心肌細(xì)胞近40%是由線粒體組成的。

線粒體中大部分的能量產(chǎn)生是在自然進(jìn)化的整合在特殊膜中的納米工廠中進(jìn)行的。這些納米工廠由蛋白組成，這些蛋白合作運(yùn)輸離子和電子，以產(chǎn)生我們身體的化學(xué)能量貨幣（ATP）。在細(xì)胞分裂過(guò)程中，線粒體必須不斷地被維持、替換和復(fù)制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，線粒體有自己的蛋白制造機(jī)器，即線粒體核糖體。2014年，人們*基本了解了線粒體核糖體的外觀。

論文共同通訊作者、斯德哥爾摩大學(xué)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室分子相互作用生物學(xué)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Alexey Amunts說(shuō)，“7年前，我們對(duì)酵母線粒體核糖體的研究被稱為分辨率革命（Resolution Revolution）。這項(xiàng)新的研究代表了在原有突破基礎(chǔ)上的又一次進(jìn)步。它不僅以的詳細(xì)程度揭示了人類的線粒體核糖體是如何形成的，而且還解釋了驅(qū)動(dòng)生物能量學(xué)為生命提供燃料的過(guò)程的分子機(jī)制。”

分辨率革命一詞是在Science期刊上*成功測(cè)定線粒體核糖體結(jié)構(gòu)后創(chuàng)造的。這代表了應(yīng)用cryo-EM理解分子結(jié)構(gòu)的方法創(chuàng)新。然而，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的次了解只揭示了靜態(tài)模型的一部分。然而，線粒體核糖體是一種靈活的分子機(jī)器，需要它的各個(gè)部分相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能起作用。因此，在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員利用鉆石光源電子生物成像中心的cryo-EM數(shù)據(jù)采集，獲得了30倍以上的數(shù)據(jù)，使得他們能夠描述蛋白合成和與膜銜接蛋白結(jié)合過(guò)程中的構(gòu)象變化。

Amunts補(bǔ)充道，“我們的研究揭示了這種動(dòng)態(tài)的分子機(jī)制，解釋了人類線粒體核糖體實(shí)際上如何起作用以形成細(xì)胞能量工廠，并揭示了人類線粒體核糖體比以前認(rèn)為的更加靈活和活躍。這種對(duì)內(nèi)在構(gòu)象變化的發(fā)現(xiàn)代表了在細(xì)菌和細(xì)胞質(zhì)系統(tǒng)中沒(méi)有相似之處的人類線粒體核糖體的一種門(mén)控機(jī)制。這些數(shù)據(jù)共同提供了關(guān)于蛋白如何在人類線粒體中合成的分子見(jiàn)解。”

鉆石光源電子生物成像中心電子顯微鏡科學(xué)家Yuriy Chaban評(píng)論說(shuō)，“在鉆石光源，我們正在推動(dòng)物理和生命科學(xué)領(lǐng)域的測(cè)量極限，這一進(jìn)展歸功于我們的團(tuán)隊(duì)，我們?nèi)缃窨梢猿Ｒ?guī)地進(jìn)行測(cè)量。Alexey的研究工作重要的方面是人類線粒體核糖體和OXA1L蛋白之間的相互作用以及相關(guān)的靈活性。人類線粒體核糖體是靈活的，這樣的事實(shí)并不新穎，但與OXA1L相互作用相關(guān)的特殊靈活性是新穎的。這對(duì)于包括呼吸鏈蛋白在內(nèi)的膜蛋白的合成非常重要。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究拓寬了我們對(duì)人類線粒體核糖體功能的理解。Amunts實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的這項(xiàng)研究解決了關(guān)于創(chuàng)造我們所知的生命所必需的基本生物過(guò)程的另一個(gè)謎團(tuán)。”

40年前對(duì)人類線粒體基因組的測(cè)序是線粒體研究的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它假定了一種特定的機(jī)制來(lái)合成線粒體跨膜蛋白。事實(shí)上，這種發(fā)現(xiàn)的人類線粒體核糖體的門(mén)控機(jī)制代表了一種*的現(xiàn)象。因此，這些結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為我們提供了對(duì)生物能量蛋白如何在體內(nèi)合成的基本認(rèn)識(shí)