新研究揭示人類線粒體核糖體形成機制

【資料簡介】

在一項新的研究中，來自瑞典斯德哥爾摩大學、卡羅琳斯卡研究所、美國國家糖尿病、消化及腎臟疾病研究所、邁阿密大學、芬蘭赫爾辛基大學和英國紐卡斯爾大學的研究人員利用英國鉆石光源（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。

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

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

線粒體中大部分的能量產生是在自然進化的整合在特殊膜中的納米工廠中進行的。這些納米工廠由蛋白組成，這些蛋白合作運輸離子和電子，以產生我們身體的化學能量貨幣（ATP）。在細胞分裂過程中，線粒體必須不斷地被維持、替換和復制。為了解決這個問題，線粒體有自己的蛋白制造機器，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、斯德哥爾摩大學生命科學實驗室分子相互作用生物學項目負責人Alexey Amunts說，“7年前，我們對酵母線粒體核糖體的研究被稱為分辨率革命（Resolution Revolution）。這項新的研究代表了在原有突破基礎上的又一次進步。它不僅以的詳細程度揭示了人類的線粒體核糖體是如何形成的，而且還解釋了驅動生物能量學為生命提供燃料的過程的分子機制。”

分辨率革命一詞是在Science期刊上*成功測定線粒體核糖體結構后創造的。這代表了應用cryo-EM理解分子結構的方法創新。然而，對這種結構的次了解只揭示了靜態模型的一部分。然而，線粒體核糖體是一種靈活的分子機器，需要它的各個部分相對運動才能起作用。因此，在這項新的研究中，這些研究人員利用鉆石光源電子生物成像中心的cryo-EM數據采集，獲得了30倍以上的數據，使得他們能夠描述蛋白合成和與膜銜接蛋白結合過程中的構象變化。

Amunts補充道，“我們的研究揭示了這種動態的分子機制，解釋了人類線粒體核糖體實際上如何起作用以形成細胞能量工廠，并揭示了人類線粒體核糖體比以前認為的更加靈活和活躍。這種對內在構象變化的發現代表了在細菌和細胞質系統中沒有相似之處的人類線粒體核糖體的一種門控機制。這些數據共同提供了關于蛋白如何在人類線粒體中合成的分子見解。”

鉆石光源電子生物成像中心電子顯微鏡科學家Yuriy Chaban評論說，“在鉆石光源，我們正在推動物理和生命科學領域的測量極限，這一進展歸功于我們的團隊，我們如今可以常規地進行測量。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的靈活性。人類線粒體核糖體是靈活的，這樣的事實并不新穎，但與OXA1L相互作用相關的特殊靈活性是新穎的。這對于包括呼吸鏈蛋白在內的膜蛋白的合成非常重要。總的來說，這項研究拓寬了我們對人類線粒體核糖體功能的理解。Amunts實驗室開展的這項研究解決了關于創造我們所知的生命所必需的基本生物過程的另一個謎團。”

40年前對人類線粒體基因組的測序是線粒體研究的一個轉折點，它假定了一種特定的機制來合成線粒體跨膜蛋白。事實上，這種發現的人類線粒體核糖體的門控機制代表了一種*的現象。因此，這些結構數據為我們提供了對生物能量蛋白如何在體內合成的基本認識