中山大学教授发表Nature文章

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2017年2月16日 来源:生物通

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  中山大学肿瘤防治中心,加州理工大学的研究人员发表文章,解析了MFN1片段在不同GTP水解状态下的晶体结构,阐明了MFN1水解GTP的机制,并提出了MFN1介导线粒体外膜栓连的模型。这为进一步阐明线粒体外膜的融合机制以及线粒体形态的变化和相应生理功能的正常发挥之间的关系提供了研究基础。同时,还为研究相关神经退行性疾病和癌症的发病机制以及干预手段提供了信息。

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中山大学肿瘤防治中心,加州理工大学的研究人员发表文章,解析了MFN1片段在不同GTP水解状态下的晶体结构,阐明了MFN1水解GTP的机制,并提出了MFN1介导线粒体外膜栓连的模型。这为进一步阐明线粒体外膜的融合机制以及线粒体形态的变化和相应生理功能的正常发挥之间的关系提供了研究基础。同时,还为研究相关神经退行性疾病和癌症的发病机制以及干预手段提供了信息。

这一研究成果公布在Nature杂志上,文章的通讯作者是中山大学高嵩教授,第一作者是2014级博士生曹雨露。高嵩教授2005年本科毕业于武汉大学,现任中山大学肿瘤防治中心、华南肿瘤学国家重点实验室研究院,博士生导师。

细胞是人体结构和功能的基本单位。人体由几十到几百万亿个细胞组成,其中绝大多数细胞中都含有一种名为“线粒体”的重要“器官”(细胞器),它是细胞的“能量工厂”。人们吸入的氧气分子最终会被逐级运输到线粒体上,通过一系列化学反应为生命活动提供能量。这种细胞器恰如其名,有时呈线状,有时呈颗粒状,形态会一直变化,还会融合和分裂,以适应细胞中正常的生理功能。其中,线粒体间的融合作用可以保持“能量工厂”的高效产出。如果这个环节出现问题,细胞中的线粒体就会呈现出碎裂的状态,从而使细胞的健康受到严重影响。相应的,人体会因此患上各种疾病,例如多种神经退行性疾病,糖尿病,以及胃癌,肝癌,乳腺癌等肿瘤。

线粒体的融合是依赖一种名为mitofusin的蛋白质“机器”实现的。人体中的mitofusin包含MFN1和MFN2两个构造极为相似的成员。这种机器锚定在线粒体的表面上,通过使用一种名为“三磷酸鸟苷”(GTP)的小分子化合物“燃料”来实现不同线粒体的对接和融合。Mitofusin机器有时会因为基因突变而出现某个“零件”的故障,进而导致线粒体融合障碍,以及相关人类疾病的发生。此前,人们对mitofusin的构造并不了解,它有哪些关键的零件,以及这些零件是如何共同作用的,一直没有答案。

五年前,肿瘤防治中心高嵩课题组决定攻克这个科学难题。解决难题的一个关键在于尺度,因为mitofusin机器太小了。多小呢?人的头发丝直径大约在80微米(不到十分之一毫米);细胞的平均直径是20微米,可以用一般的显微镜观察;线粒体的平均直径大约是0.5微米(500纳米),需要用高级的荧光显微镜或电子显微镜观察;mitofusin机器的直径不到10纳米,光学显微镜已经无能为力了;而要了解其关键零件的信息,必须在0.1纳米,也就是所谓的原子尺度上进行观察。这个尺度是头发丝的八十万分之一。所以研究者需要用到一种称为“X射线晶体衍射”的技术来进行研究。所使用的X射线源来自于电子同步辐射经过处理后形成的一束极细的,极高亮度的X光(与我们平时见到的拍胸透的X光机是大不相同的)。此外,研究者还需要采用一系列技术手段,使mitofusin形成像白糖和食盐一样的晶体(但是体积只有它们的千分之一到万分之一),才能进行衍射实验。

克服了这些技术难关后,研究者们终于观察到了mitofusin机器的细微结构,并发现它通过消耗GTP燃料可以调节自身的构造,并两两“吸附”在一起。这样,不同线粒体上的mitofusin机器可以通过这种作用把线粒体聚集在一起并发生融合(图一)。而如果某些零件出了问题,mitofusin就无法完成自身构造的调节,也就无法介导线粒体的融合了。这项研究成果揭示了一个极为重要的基本生命活动的过程。了解这些信息,对于人们探索相关疾病的具体成因并开发相应的临床干预手段有重要的指导作用。

作者简介:

高嵩研究员2005年本科毕业于武汉大学,2011年获德国柏林自由大学生物化学博士学位。现任中山大学肿瘤防治中心、华南肿瘤学国家重点实验室研究院,博士生导师。从事dynamin家族蛋白及人类免疫相关蛋白的结构和功能研究。先后独立并与他人合作解析多个dynamin家族成员如MXA蛋白等的晶体结构,该领域研究成果处于国际前沿。以共同通讯作者或第一作者在Nature,Immunity,PLoS Biology等国际著名杂志上发表多篇论文,并分别被国际著名杂志Developmental Cell,Immunity,Nature Reviews Immunology等和其他媒体作为相关领域的重大发现进行了报道。

原文摘要:

MFN1 structures reveal nucleotide-triggered dimerization critical for mitochondrial fusion

Mitochondria are double-membraned organelles with variable shapes influenced by metabolic conditions, developmental stage, and environmental stimuli1, 2, 3, 4. Their dynamic morphology is a result of regulated and balanced fusion and fission processes5, 6. Fusion is crucial for the health and physiological functions of mitochondria, including complementation of damaged mitochondrial DNAs and the maintenance of membrane potential6, 7, 8. Mitofusins are dynamin-related GTPases that are essential for mitochondrial fusion9, 10. They are embedded in the mitochondrial outer membrane and thought to fuse adjacent mitochondria via combined oligomerization and GTP hydrolysis11, 12, 13. However, the molecular mechanisms of this process remain unknown. Here we present crystal structures of engineered human MFN1 containing the GTPase domain and a helical domain during different stages of GTP hydrolysis. The helical domain is composed of elements from widely dispersed sequence regions of MFN1 and resembles the ‘neck’ of the bacterial dynamin-like protein. The structures reveal unique features of its catalytic machinery and explain how GTP binding induces conformational changes to promote GTPase domain dimerization in the transition state. Disruption of GTPase domain dimerization abolishes the fusogenic activity of MFN1. Moreover, a conserved aspartate residue trigger was found to affect mitochondrial elongation in MFN1, probably through a GTP-loading-dependent domain rearrangement. Thus, we propose a mechanistic model for MFN1-mediated mitochondrial tethering, and our results shed light on the molecular basis of mitochondrial fusion and mitofusin-related human neuromuscular disorders14.

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