《Science》发现一个进入线粒体膜的“门”

一项新的研究表明，在多种细胞过程中必不可少的蛋白质MTCH2负责将各种其他蛋白质运送到线粒体膜中。这一发现可能会对癌症治疗产生影响，并提供对多种MTCH2相关疾病的深入了解。

　　

   

   

MTCH2充当蛋白质进入线粒体外膜的通道。    

线粒体——人类细胞中负责产生能量的细胞器——曾经是自由生活的有机体，在10亿多年前发现了进入早期真核细胞的途径。从那时起，它们就像共生进化的经典例子一样，无缝地与宿主融合在一起，现在它们依靠宿主细胞核中产生的许多蛋白质来正常工作。

线粒体外膜上的蛋白质尤其重要;它们允许线粒体与细胞的其他部分进行通信，并在免疫功能和一种称为凋亡的程序性细胞死亡中发挥作用。在进化的过程中，细胞进化出一种特殊的机制，通过这种机制将这些在细胞细胞质中产生的蛋白质插入线粒体膜。但这一机制是什么，又有哪些细胞参与其中，一直是个谜。

Whitehead研究所成员Jonathan Weissman和加州理工学院教授Rebecca Voorhees的一篇新论文为这个谜题提供了答案。这项研究发表在10月21日的Science杂志上。该研究揭示了一种被称为线粒体载体同源物2(简称MTCH2)的蛋白质，它与许多细胞过程甚至癌症和阿尔茨海默症等疾病有关，负责充当各种蛋白质进入线粒体膜的“门”。

“到目前为止，没有人知道MTCH2到底在做什么——他们只知道当你失去它时，所有这些不同的事情都会发生在细胞上，”Weissman说，他也是麻省理工学院的生物学教授和霍华德·休斯医学研究所的研究员。“为什么这种蛋白质会影响这么多不同的过程，这有点像一个谜。这项研究为理解为什么MTCH2与阿尔茨海默症、脂质生物合成以及线粒体裂变和融合有关提供了分子基础:因为它负责将所有这些不同类型的蛋白质插入膜中。”

Voorhees说:“我们实验室之间的合作对于理解这种相互作用的生物化学至关重要，并导致了对细胞生物学中一个基本问题的真正令人兴奋的新理解。”

 

寻找一扇门  

为了找出细胞质中的蛋白质——特别是一种被称为尾部锚定的蛋白质——是如何被插入线粒体外膜的，Whitehead实验室的博士后研究员兼该研究的第一作者Alina Guna，与Voorhees实验室的研究生Taylor Stevens和博士后Alison Inglis一起，决定使用一种叫做CRISPR干扰(或称CRISPRi)筛选方法的技术，该技术是由Weissman和合作者发明的。

Guna说:“CRISPRi让我们系统地去除每个基因，然后观察(一个特定的尾部锚定蛋白)发生了什么。我们发现了一个名为MTCH2的基因，当我们去除它时，到达线粒体膜的蛋白质数量会大幅减少。所以我们想，也许这就是进入的入口。”

为了证实MTCH2作为进入线粒体膜的通道，研究人员进行了额外的实验，观察当MTCH2不存在于细胞中时会发生什么。他们发现MTCH2是尾锚膜蛋白从细胞质进入线粒体膜的必要条件和充分条件。

MTCH2能够将蛋白质从细胞质运送到线粒体膜可能是由于其特殊的形状。研究人员将该蛋白质的序列通过阿尔法折叠系统(Alpha Fold)进行了测试。阿尔法折叠系统是一种人工智能系统，可以通过蛋白质的氨基酸序列预测蛋白质的结构，结果显示它是一种疏水蛋白质——非常适合插入油性膜——但有一个亲水槽，其他蛋白质可以进入。

Guna说:“这基本上就像一个漏斗。蛋白质来自细胞质，它们滑入亲水槽，然后从蛋白质移动到膜。”

为了证实这个凹槽在蛋白质的功能中很重要，Guna和她的同事设计了另一个实验。Guna说:“我们想尝试一下这种结构，看看能否改变它的行为，我们也做到了。我们进行了单点突变，这个点突变足以真正改变蛋白质的行为以及它与底物的相互作用。然后我们继续研究，发现了使其不那么活跃的突变和使其超级活跃的突变。”

这项新研究的应用不仅仅是回答线粒体研究的一个基本问题。Guna说:“这件事带来了很多东西。”

一方面，MTCH2插入了一种被称为凋亡的程序性细胞死亡的关键蛋白质，研究人员可能利用这种蛋白质来治疗癌症。“我们可以让白血病细胞对癌症治疗更加敏感，方法是让它们发生突变，改变MTCH2的活性，”Guna说。“这种突变使MTCH2行为更加‘贪婪’，将更多的东西插入细胞膜，其中一些插入的东西就像促凋亡因子，所以这些细胞更有可能死亡，这在癌症治疗的背景下是非常棒的。”

这项工作也提出了MTCH2是如何随着时间发展而发展其功能的问题。MTCH2是由一种叫做溶质载体的蛋白质家族进化而来的，这种蛋白质在细胞膜上运送各种物质。

对于线粒体如何与细胞的其他部分相互作用，包括它们如何对细胞内的压力和变化做出反应，以及蛋白质最初是如何找到进入线粒体的途径，研究人员还有很多需要了解的地方。“我认为[这篇论文]只是第一步，这只适用于一类膜蛋白——它并没有告诉你蛋白质在细胞质中生成后发生的所有步骤。例如，它们是如何转运到线粒体的?所以请继续关注——我认为我们将了解到，我们现在有一个非常好的系统，可以打开细胞生物学的这一基本部分。”

MTCH2 is a mitochondrial outer membrane protein insertase