线粒体电压依赖性阴离子通道通过N端α-螺旋暴露诱导凋亡的结构机制解析

《Nature Communications》：Structural basis of apoptosis induction by the mitochondrial voltage-dependent anion channel

语 本研究针对VDAC1如何通过寡聚化触发线粒体外膜透化（MOMP）并诱导细胞凋亡的机制难题，通过冷冻电镜与NMR技术，首次发现VDAC1寡聚化或受限脂质纳米盘可使其N端α-螺旋（VDAC1-N）暴露，进而与抗凋亡蛋白BclxL的BH3结合槽特异性结合。该作用类似BH3-only敏化蛋白，可解除BclxL对Bak的抑制，促进MOMP及凋亡执行。研究揭示了VDAC1作为线粒体应激感应器的结构基础，为癌症等疾病治疗提供新靶点。

　　

在细胞生命活动的精密调控网络中，线粒体作为能量工厂和凋亡执行中心，其外膜上的电压依赖性阴离子通道（VDAC）扮演着双重角色：既是代谢物跨膜运输的核心通道，又是细胞凋亡的关键诱导者。然而，VDAC如何从稳态代谢转向促凋亡功能的分子机制始终成谜。长期以来，科学家们观察到VDAC寡聚化与凋亡密切相关，但其如何激活Bcl2蛋白家族介导的线粒体外膜透化（MOMP）——这一凋亡核心事件——仍缺乏直接的结构证据。传统观点认为VDAC寡聚体可能直接形成大孔释放凋亡因子，但孔道尺寸限制与功能矛盾使得这一假说备受争议。

为解决这一难题，来自德国慕尼黑工业大学、赫尔姆霍兹慕尼黑中心等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新成果。他们通过多学科技术交叉，首次揭示了VDAC1通过N端α-螺旋构象转换激活凋亡通路的结构基础，为理解线粒体应激响应提供了全新视角。

关键技术方法

研究综合运用冷冻电镜（cryo-EM）解析VDAC1在不同尺寸脂质纳米盘中的空间结构，核磁共振（NMR）监测蛋白动态相互作用，X射线晶体学确定VDAC1-N与BclxL复合物高分辨率结构，并通过等温滴定 calorimetry（ITC）定量结合亲和力。脂质体膜透化实验模拟生理环境下Bak激活过程，分子动力学（MD）模拟验证构象变化合理性。所有蛋白样本通过大肠杆菌系统表达纯化，脂质纳米盘采用环化膜支架蛋白（cMSP）技术增强稳定性。

研究结果

VDAC1寡聚化导致N端α-螺旋暴露

通过化学交联与PEG化修饰实验，团队发现负电荷环境（如胆酸盐或带负电脂质）可显著促进VDAC1寡聚化，并触发其N端α-螺旋（VDAC1-N）从β桶内部解离至溶剂可及区域。

冷冻电镜揭示VDAC1构象切换

在11纳米纳米盘中，VDAC1以单体或二聚体形式存在，N端螺旋稳定嵌入孔内；而在7.5纳米小尺寸纳米盘中，约65%粒子显示螺旋密度缺失，表明其构象灵活性增强，为结合BclxL提供结构前提。

BclxL特异性结合暴露的VDAC1-N端

NMR滴定显示VDAC1仅在小纳米盘中与BclxL结合，且结合位点与其BH3肽结合槽重叠。晶体结构（1.95 ?）证实VDAC1-N以两亲性螺旋模式嵌入BclxL疏水槽，关键残基Leu10突变使结合亲和力降低20倍。

VDAC1-N通过中和BclxL激活Bak孔形成

脂质体实验表明，VDAC1-N可直接解除BclxL对Bak的抑制，恢复其膜孔形成能力，且该作用依赖其与BclxL的结合强度（L10A突变体失效）。值得注意的是，VDAC1-N本身不直接激活Bak，其功能类似BH3-only敏化蛋白（如BAD）。

结论与意义

本研究颠覆了“VDAC寡聚体直接形成大孔”的传统认知，提出全新模型：线粒体应激（如脂质组成改变、Ca²⁺升高、氧化压力等）触发VDAC1寡聚化，诱导其N端螺旋暴露并结合BclxL，通过中和抗凋亡蛋白解放Bak/Bax，间接启动MOMP。该机制不仅解释了VDAC1在阿尔茨海默病、癌症等疾病中的关键作用，也为靶向VDAC-Bcl2互作的药物设计提供了精确结构模板。此外，研究发展的纳米盘限域模拟技术为膜蛋白构态调控研究提供了普适性策略。