《Science》线粒体的起源

【字体: 时间:2021年02月22日 来源:Diamond

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  科学家首次揭示了人体能量制造者是如何产生的。一个国际研究小组报告了线粒体膜栓蛋白合成的分子机制。这是对人类有丝分裂核糖体功能的一个基本的新认识,并可以解释它如何受到突变和失调的影响,从而导致耳聋和包括癌症在内的疾病。

  

科学家们利用位于牛津郡的Diamond公司的eBIC利用低温电子显微镜(Cryo EM)揭示了人体能量制造者的诞生。

一个国际研究小组在2021年2月19日发文《科学》(Science),报告了对人体能量形成分子机制的深入了解线粒体膜栓蛋白合成。这是对人类有丝分裂核糖体如何发挥功能的一个基本的新认识,并可以解释它是如何受到突变和失调的影响,从而导致耳聋和包括癌症在内的疾病的发展。

线粒体是细胞内的细胞器,在我们的身体中起着微小而有力的动力。它们利用我们吸入的氧气和我们所吃食物的衍生物来产生我们90%以上的能量,因此有效地维持我们的生命。线粒体在心脏、肝脏、肌肉和大脑等需要高能量的器官中尤为重要。几乎40%的心肌细胞由线粒体组成。

线粒体中的大部分能量产生发生在自然进化的纳米工厂中,这些工厂被整合到专门的膜中。这些纳米工厂由蛋白质组成,它们协同运输离子和电子,产生我们身体的化学能量货币,在细胞分裂过程中,这些能量货币必须不断维持、替换和复制。为了解决这个问题,线粒体有自己的蛋白质制造机器——线粒体核糖体(mitoribosome)。对线粒体核糖体外观的第一个基本认识是在2014年实现的。

“7年前,我们对酵母线粒体核糖体的研究被誉为分辨率革命。目前的研究是在原有突破的基础上的又一新进展。它不仅揭示了人类线粒体核糖体是如何以前所未有的细节水平设计的,而且还解释了驱动生物能学以燃料生命过程的分子机制,”主要作者、分子相互作用生物学项目负责人Alexey Amunts说。

Science杂志创制了“分辨率革命”一词,这与首次成功测定线粒体核糖体的结构有关。这代表了应用低温电镜来理解分子结构的一种方法创新。然而,这第一眼看到的架构仅仅是静态模型的一部分,真实的线粒体核糖体是一个灵活的分子机器,需要其各部分相对运动才能工作。因此,在目前的研究中,研究小组利用Diamond的电子生物成像中心(eBIC)的高通量冷冻EM数据采集,获得了30倍以上的数据,使研究小组能够描述蛋白质合成过程中的构象变化以及与膜适配器的关联。

“我们的研究揭示了动态分子机制,解释了线粒体核糖体如何实际工作以形成细胞动力,并揭示了线粒体核糖体比以前认为的更灵活和更活跃。内在构象变化的发现代表了线粒体核糖体的门控机制,在细菌和胞质系统中没有相似性。总之,这些数据提供了人类线粒体中蛋白质合成的分子洞察力,”Alexey Amunts补充道。

eBIC首席电子显微镜科学家Yuriy Chaban,Diamond评论道:“在Diamond,我们正在推动物理和生命科学中可以测量的领域的发展,这一最新进展归功于参与目前可以常规实现的研究的团队。

Alexey工作最重要的方面是线粒体核糖体和OXA1L之间的相互作用以及相关的灵活性。线粒体核糖体本身是柔性的这一事实并不新奇,但与OXA1L相互作用相关的特殊柔性却是未知的。这对膜蛋白的合成很重要,包括呼吸链蛋白。总的来说,这项工作大大拓宽了我们对线粒体核糖体功能的理解。Alexey Amunts实验室的工作解决了另一个关于创造我们所知生命所必需的基本生物过程的谜团。”

40年前人类线粒体基因组的测序是线粒体研究的一个转折点,推测线粒体跨膜蛋白合成的一种特殊机制。事实上,人类线粒体核糖体的门控机制的发现代表了一种独特的现象。因此,结构数据提供了一个基本的了解生物能蛋白如何在我们的身体合成。

原文标题:

Yuzuru Itoh, Juni Andréll, Austin Choi, Uwe Richter, Priyanka Maiti, Robert B. Best, Antoni Barrientos, Brendan J. Battersby, Alexey Amunts. Mechanism of membrane-tethered mitochondrial protein synthesis. Science, 2021; 371 (6531): 846 DOI: 10.1126/science.abe0763

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