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为探究脂质 - 蛋白质相互作用（LPIs）如何影响膜蛋白复合物序列进化，印度细胞与分子生物学中心研究人员以呼吸复合物（RCs）为对象，发现王国特异性脂质不饱和程度校准了真核生物 RCs 膜臂亚基的序列进化，这为理解膜蛋白复合物进化提供新视角。
在微观的细胞世界里，蛋白质们可不是 “单打独斗”，它们常常相互协作，组成蛋白质复合物（PCs）来执行各种重要任务。这些蛋白质复合物从原核生物到真核生物都高度保守，对细胞的正常运作起着关键作用。然而，蛋白质之间的相互作用（PPI）以及蛋白质与脂质之间的相互作用（LPIs）如何影响蛋白质复合物的序列进化，一直是科学家们关注的重要问题。
以往研究表明，PPI 界面在进化中大多是保守的，突变这些保守界面会引发疾病。而 LPIs 虽然参与膜蛋白复合物的结构组织，但它对膜蛋白复合物序列进化的影响却鲜少被深入研究。真核生物呼吸链中的四个呼吸复合物（Complex I - IV，RCs）和 ATP 合酶（CV）对于有氧真核生物的氧化磷酸化（OxPhos）和 ATP 生成至关重要。这些复合物的亚基分布在不同位置，有的暴露在脂质环境中，有的则在水相基质里。并且，线粒体基因组的突变率较高，不同物种间也存在差异，这使得研究 LPIs 对呼吸复合物序列进化的影响变得更加复杂和具有挑战性。
为了深入探究这一问题，印度细胞与分子生物学中心的研究人员展开了一系列研究。他们以呼吸复合物为研究对象，通过多种实验和分析方法，揭示了王国特异性脂质不饱和程度对真核生物呼吸复合物膜臂亚基序列进化的校准作用。这一研究成果为我们理解膜蛋白复合物的进化机制提供了新的视角，也为相关疾病的研究和治疗奠定了理论基础。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：
- 生物信息学分析：通过检索 OMIM 数据库获取呼吸复合物相关疾病的突变信息，并将这些突变映射到呼吸复合物的高分辨率结构上，分析突变位点与 PPI 和 LPI 的关系。同时，利用 blastp 搜索不同物种中呼吸复合物亚基的序列同源物，进行多序列比对和进化分析。
- 分子动力学模拟：构建模拟不同脂质环境（模拟动物和植物脂质组成）的模型膜，将人类和拟南芥 Ndufa1 的跨内膜螺旋置于其中进行模拟，分析螺旋与脂质脂肪酸链的相互作用。
- 细胞实验：在 HEK293T 细胞中进行基因敲除和过表达实验，检测呼吸复合物的稳定性和功能。通过脂质补充实验，研究不同不饱和脂肪酸对呼吸复合物的影响。还利用免疫荧光显微镜、Western blot、Native - PAGE 等技术对细胞内的蛋白质进行检测和分析。
研究人员的发现主要有以下几个方面：
- 疾病相关突变分布在呼吸复合物膜臂表面：通过分析人类呼吸复合物 I（CI）的突变，研究人员发现基质臂和内膜间隙（IMS）的突变大多会破坏 PPI，而内膜（IMM）臂的突变很多位于 PPI 界面之外，这些非 PPI 突变在 IMM 亚基的暴露表面聚集。对候选亚基 Ndufa1 和 Ndufa2 的研究表明，非 PPI 突变会导致 CI 结构不稳定，这暗示了 IMM - 脂质相互作用在稳定 CI 中的重要性。
- IMM 臂亚基在真核生物界内序列保守，但在界间存在差异：研究人员对不同真核生物界（植物、真菌和动物）的呼吸复合物亚基进行序列分析，发现疾病相关的 PPI 残基在不同界之间部分保守，而 IMM 臂上的非 PPI 残基在不同界之间存在明显差异。此外，IMM 臂亚基在各自的真核生物界内序列保守，但在界间差异显著，这表明这些亚基的序列进化可能与 IMM - 脂质相互作用有关。
- 人类和拟南芥 Ndufa1 的跨内膜螺旋与 IMM - 脂质相互作用不同：通过对 8 个 IMM 臂和基质臂亚基的氨基酸保守性分析，研究人员发现 IMM 臂亚基暴露表面在界内的序列同一性更高，这表明其可能受到界特异性选择压力。分子动力学模拟显示，人类和拟南芥 Ndufa1 的跨内膜螺旋与 IMM - 脂质的相互作用因心磷脂（CL）的不饱和程度不同而不同。在模拟动物脂质环境中，两者与不同脂质的相互作用存在差异；在模拟植物脂质环境中，相互作用模式也发生了改变。
- 脂质暴露的氨基酸阻止人类和拟南芥 Ndufa1 跨内膜螺旋的交换：由于哺乳动物细胞缺乏 18:3 CL，研究人员推测拟南芥 Ndufa1 螺旋可能无法在 HEK293T 细胞中稳定存在。细胞实验结果证实，拟南芥 Ndufa1 及其嵌合体在人类细胞中不稳定，无法有效整合到 CI 中，而跨内膜螺旋中脂质暴露氨基酸的改变会影响其与 IMM - 脂质的相互作用，进而影响其在 CI 中的整合。
- 植物特异性不饱和脂质引发人类细胞 CI 不稳定：研究人员用不同脂肪酸处理人类细胞，发现富含 18:3 脂肪酸的处理会导致线粒体碎片化，CI 组装受到干扰，这表明 IMM - 脂质的不饱和程度会影响 CI 的稳定性，进一步证明了脂质 - 蛋白质相互作用在维持呼吸复合物稳定性中的重要性。
在讨论部分，研究人员指出，膜蛋白复合物的膜蛋白在真核生物界内序列高度保守，但在不同界之间进化差异明显，这与周围脂质的化学性质变化相关。对于呼吸复合物来说，关键的 PPI 在进化中保守以维持复合物结构，而 IMM 臂的脂质 - 蛋白质化学性质差异则有助于在不同真核生物中优化氧化磷酸化。此外，线粒体基因组较高的突变率可能为 IMM 亚基适应不同脂质环境提供了优势。
从疾病角度来看，影响基本相互作用的突变会破坏蛋白质复合物的稳定性，导致疾病发生。例如，CI 缺乏症相关突变在基质臂和 IMM 臂上均有出现，基质臂上的错义 PPI 突变会降低 CI 组装和活性，引发早期婴儿疾病；而 IMM 臂上的 LPI 突变在不同年龄段发病，表明其杂合性可能部分保护疾病的表现。
这项研究首次系统地揭示了王国特异性脂质不饱和程度在真核生物呼吸复合物膜臂亚基序列进化中的重要作用，为深入理解膜蛋白复合物的进化机制提供了关键线索。同时，也为相关疾病的研究和治疗提供了新的理论依据，有助于推动生命科学和健康医学领域的发展。
