酵母线粒体融合蛋白Fzo1的特殊门闩结构通过稳定自组装确保线粒体融合

《Nature Communications》：A special latch in yeast mitofusin guarantees mitochondrial fusion by stabilizing self-assembly

本研究针对酵母单一线粒体融合蛋白Fzo1如何独立催化外膜融合这一关键问题，通过晶体结构解析和系统功能研究，发现Fzo1特有的门闩凸起(LB)结构域。该结构在GTP水解后能将Fzo1锁定在二聚体闭合构象，有效稳定线粒体膜对接状态，揭示了酵母以单一融合蛋白实现高效线粒体融合的分子机制，为理解这一基础生物学过程提供了新视角。

　　

在真核细胞中，线粒体作为高度动态的细胞器，通过持续的融合与分裂维持其功能稳态。这一过程的失衡与多种人类疾病密切相关。与大多数后生动物拥有两个协同作用的线粒体融合蛋白(MFN1和MFN2)不同，酿酒酵母仅有一个线粒体融合蛋白Fzo1。长期以来，科学家们困惑于单个Fzo1如何独立完成线粒体外膜融合的全过程，这一谜题成为理解真核生物线粒体动力学演化的关键。

发表于《Nature Communications》的最新研究通过多学科技术手段，揭示了Fzo1特有的工作机制。研究人员发现了一个之前未被重视的结构域——门闩凸起(Latch Bulge, LB)，它像一道分子门闩，在GTP水解后将Fzo1锁定在二聚体状态和闭合构象，从而确保线粒体融合的高效进行。这一发现不仅解释了酵母如何用单一融合蛋白完成复杂的膜融合过程，还为理解线粒体融合蛋白的进化提供了新视角。

研究团队主要运用了X射线晶体学、尺寸排阻色谱-直角光散射联用(SEC-RALS)、单分子荧光共振能量转移(smFRET)等关键技术方法。晶体结构解析采用了硒代甲硫氨酸单波长反常散射和分子置换法，获得了不同核苷酸结合状态下的Fzo1_IM结构。功能验证通过酵母线粒体形态观察和生长实验进行，所有实验均使用酿酒酵母JSY2287菌株。

IM结构域组成示意图。GD，GTP酶结构域；HD1/2，螺旋结构域1/2；LB，门闩凸起；T，跨膜区；L，人工连接肽。bGTP结合的Fzo1_IM二聚体结构'>

整体结构分析

研究人员首先解析了截短的Fzo1(Fzo1_IM)晶体结构。该蛋白包含GTP酶结构域(GD)、螺旋结构域1(HD1)和一个突出的凸起区域。结构显示Fzo1_IM采用与GDP·BeF₃结合的MFN1_IM相似的闭合构象，其中GD与HD1密切接触。特别值得注意的是，在HD1的α1H和α2H之间发现了一个富含环区的凸起结构(残基126-156)，其中包含一个短β链(β1B)。

独特的门闩结构域

这个新发现的结构域被命名为"门闩凸起"(LB)。结构分析显示，LB通过广泛的分子内相互作用与HD1稳定结合，包括Val135、Leu136、Leu138和Ile140等疏水残基嵌入HD1形成的疏水谷中。更重要的是，两个原体的β1B链形成反平行β片层，构成了一个面积达1400?2的二聚化界面，甚至大于GTP酶结构域界面。

IM的鸟嘌呤核苷酸配位。a不同动态蛋白超家族成员G1-G4元件的序列比对。bGTP结合的Fzo1_IM中核苷酸结合口袋的结构细节'>

LB的功能重要性

通过酵母表型实验，研究人员证实LB对酵母线粒体融合和生存能力至关重要。缺失整个LB或关键β1B区域的Fzo1突变体无法恢复fzo1Δ菌株的线粒体网状结构和在甘油培养基上的生长能力。分子内界面突变体也表现出相似的缺陷，表明LB与Fzo1其他区域的相互作用对其功能不可或缺。

LB稳定化作用机制

进一步研究表明，LB缺失并不影响GTP酶结构域界面，但显著改变了蛋白的构象动力学。单分子FRET实验显示，野生型Fzo1在GTPγS或GDP·BeF₃存在时主要保持闭合构象，而LB缺失突变体在这些条件下显示出更高比例的开构象分子和更频繁的构象转换。

IMLBΔ2二聚体(左)和GDP·BeF₃结合的Fzo1_IMLBΔ3二聚体(右)与GTP结合的Fzo1_IM二聚体的结构叠加'>

特别重要的是，超活性突变体P219G的实验证明，在GTP完全水解后，野生型Fzo1仍保持二聚体状态，而LB缺失突变体则解离为单体。这表明LB作为水解后门闩，维持了Fzo1的二聚化。

研究最终提出了修正的酵母线粒体外膜融合模型：GTP结合触发Fzo1反式二聚化，实现线粒体膜栓系；GTP水解过程中的构象变化将栓系的线粒体拉近并促进膜对接；LB在GTP水解后锁定Fzo1形成稳定的"闭合"二聚体，维持对接状态直至膜融合完成。这种机制确保了酵母在有限GTP消耗下高效完成线粒体融合，同时也解释了为什么Fzo1需要通过泛素-蛋白酶体系统降解来实现融合——稳定的二聚体在融合后需要被及时清除以允许新的融合周期。

该研究不仅阐明了酵母线粒体融合的独特机制，也为理解真核生物中线粒体融合蛋白的功能演化和调控提供了重要见解。LB结构域的发现揭示了真菌中线粒体融合蛋白的特化适应，为相关疾病机制研究和治疗策略开发奠定了分子基础。