医学论文解读| 新研究揭示人类线粒体核糖体形成机制

       在一项新的研究中，来自瑞典斯德哥尔摩大学、卡罗琳斯卡研究所、美国国家糖尿病、消化及肾脏疾病研究所、迈阿密大学、芬兰赫尔辛基大学和英国纽卡斯尔大学的研究人员利用英国钻石光源(Diamond Light Source)电子生物成像中心(electron Bio-Imaging Centre)的低温电子显微镜(cryo-EM)首次揭示了人体中的能量制造者是如何形成的。相关研究结果发表在2021年2月19日的Science期刊上，论文标题为“Mechanism of membrane-tethered mitochondrial protein synthesis”。

　　这篇论文报告了对人类线粒体中膜锚定蛋白(membrane-tethered protein)合成的分子机制的深入了解。这是对人类线粒体核糖体(mitoribosome )如何运作的一个基本的新认识，可以解释线粒体如何受到突变和功能失调的影响，从而导致耳聋等障碍和包括癌症在内的疾病。

　　线粒体是细胞内的细胞器，在我们的身体中充当着微小但强大的能量工厂。它们利用我们吸入的氧气和我们吃的食物的衍生物来产生90%以上的能量，因此有效地支持我们的生命。线粒体对心脏、肝脏、肌肉和大脑等高能量需求的器官尤为重要。比如，每个心肌细胞近40%是由线粒体组成的。

　　线粒体中大部分的能量产生是在自然进化的整合在特殊膜中的纳米工厂中进行的。这些纳米工厂由蛋白组成，这些蛋白合作运输离子和电子，以产生我们身体的化学能量货币(ATP)。在细胞分裂过程中，线粒体必须不断地被维持、替换和复制。为了解决这个问题，线粒体有自己的蛋白制造机器，即线粒体核糖体。2014年，人们首次基本了解了线粒体核糖体的外观。

　　论文共同通讯作者、斯德哥尔摩大学生命科学实验室分子相互作用生物学项目负责人Alexey Amunts说，“7年前，我们对酵母线粒体核糖体的研究被称为分辨率革命(Resolution Revolution)。这项新的研究代表了在原有突破基础上的又一次进步。它不仅以前所未有的详细程度揭示了人类的线粒体核糖体是如何形成的，而且还解释了驱动生物能量学为生命提供燃料的过程的分子机制。”

　　分辨率革命一词是在Science期刊上首次成功测定线粒体核糖体结构后创造的。这代表了应用cryo-EM理解分子结构的方法创新。然而，对这种结构的第一次了解只揭示了静态模型的一部分。然而，线粒体核糖体是一种灵活的分子机器，需要它的各个部分相对运动才能起作用。因此，在这项新的研究中，这些研究人员利用钻石光源电子生物成像中心的cryo-EM 数据采集，获得了30倍以上的数据，使得他们能够描述蛋白合成和与膜衔接蛋白结合过程中的构象变化。

　　Amunts补充道，“我们的研究揭示了这种动态的分子机制，解释了线粒体核糖体实际上如何起作用以形成细胞能量工厂，并揭示了线粒体核糖体比以前认为的更加灵活和活跃。这种对内在构象变化的发现代表了在细菌和细胞质系统中没有相似之处的线粒体核糖体的一种门控机制。这些数据共同提供了关于蛋白如何在人类线粒体中合成的分子见解。”

　　钻石光源电子生物成像中心首席电子显微镜科学家Yuriy Chaban评论说，“在钻石光源，我们正在推动物理和生命科学领域的测量极限，这一最新进展归功于我们的团队，我们如今可以常规地进行测量。Alexey的研究工作最重要的方面是人类线粒体核糖体和OXA1L蛋白之间的相互作用以及相关的灵活性。人类线粒体核糖体是灵活的，这样的事实并不新颖，但与OXA1L相互作用相关的特殊灵活性是新颖的。这对于包括呼吸链蛋白在内的膜蛋白的合成非常重要。总的来说，这项研究极大拓宽了我们对线粒体核糖体功能的理解。Amunts实验室开展的这项研究解决了关于创造我们所知的生命所必需的基本生物过程的另一个谜团。”

　　40年前对人类线粒体基因组的测序是线粒体研究的一个转折点，它假定了一种特定的机制来合成线粒体跨膜蛋白。事实上，这种发现的人类线粒体核糖体的门控机制代表了一种独特的现象。因此，这些结构数据为我们提供了对生物能量蛋白如何在体内合成的基本认识。

　　参考资料：

　　1.Yuzuru Itoh et al. Mechanism of membrane-tethered mitochondrial protein synthesis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe0763.

　　2.Mitochondria: New data sheds light on genesis of our body's powerhouses

　　https://phys.org/news/2021-02-mitochondria-genesis-body-powerhouses.html

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