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线粒体钙稳态对细胞功能至关重要，其异常与多种疾病相关。为探究无 EMRE 的非后生动物中 MICU 调控 MCU 的机制，研究人员解析了盘基网柄菌 Ca2?结合态 DdMICU 的晶体结构，发现其独特结构特征，为理解 MCU 复合物进化及功能多样性提供依据。
线粒体作为细胞的 “能量工厂”，在钙信号调控中扮演核心角色。线粒体钙单向转运体（MCU）复合物负责将 Ca2?转运至线粒体基质，其功能异常与神经退行性疾病、心血管疾病、癌症等多种重大疾病密切相关。在哺乳动物中，MCU 复合物的调控依赖于 MICU（线粒体钙摄取蛋白）和 EMRE（必需 MCU 调节因子）的协同作用，但在缺乏 EMRE 的非后生动物（如盘基网柄菌）中，仅存在 MCU 和 MICU，其调控机制尚不明确。揭示这类生物中 MICU 的结构与功能，对理解 MCU 复合物的进化路径及拓宽钙稳态调控机制的认知至关重要。
韩国光州科学技术院（Gwangju Institute of Science and Technology）的研究团队针对盘基网柄菌（Dictyostelium discoideum）的 MICU（DdMICU）展开研究，通过解析其晶体结构并结合生化分析，阐明了无 EMRE 系统中 MICU 调控 Ca2?摄取的分子机制。相关成果发表在《Communications Biology》。
研究采用的主要关键技术方法包括：
- 晶体学技术：纯化 DdMICU 蛋白并获得 Ca2?结合态晶体，利用分子置换结合单波长反常衍射（MR-SAD）解析其 2.5? 分辨率结构。
- 微尺度热泳（MST）：测定 EF-hand 基序的 Ca2?结合亲和力（Kd 值）。
- 多角度光散射 - 尺寸排阻色谱（SEC-MALS）：分析 DdMICU 在溶液中的寡聚状态及离子强度依赖性。
- 脂质体浮选实验：验证 C 端螺旋（C-helix）的膜结合功能。
研究结果
1. DdMICU 的整体结构与 Ca2?结合特性
DdMICU 由 N 叶、桥螺旋和 C 叶组成，包含三个 EF-hand 基序（EFb、EF1、EF4），均以亚微摩尔亲和力结合 Ca2?，其五边形双锥配位几何结构与典型 EF-hand 基序一致。与人类 MICU（HsMICU）相比，DdMICU 多一个 EFb 基序，该基序在非后生动物中保守，而哺乳动物 MICU 的 EFb 基序因缺乏关键天冬氨酸残基丧失 Ca2?结合能力。Ca2?结合后，DdMICU 的熔解温度（Tm）显著升高至 76.6°C，高于 HsMICU1 和 HsMICU2，表明 EFb 基序增强了结构稳定性。
2. 与人类 MICU 的结构差异与保守性
DdMICU 单体与 HsMICU 的均方根偏差（RMSD）约为 3.0?，C 叶结构高度相似（RMSD≤1.7?），但 N 叶因 EFb 基序的存在发生约 20° 旋转。DdMICU 形成 “面对面”（F-F）二聚体，其界面面积（1370?2）和结合能（-10.6 kcal/mol）与 HsMICU1-HsMICU2 异二聚体相近，保守的静电和疏水相互作用（如 Ser216-Asp369 盐桥、Ile/Lue 疏水旋钮）维持二聚体稳定。此外，DdMICU 独特形成 “头对头”（H-H）二聚体，并通过 F-F/H-H 相互作用形成四聚体，其寡聚状态受离子强度调控，在生理盐浓度（100-150 mM）下处于二聚体 - 四聚体动态平衡。
3. C 端螺旋的膜结合功能
DdMICU 的 C 端螺旋（444-458 位氨基酸）为两亲性螺旋，正电荷与疏水残基分别分布于两侧，其净电荷（+4）和疏水矩（0.68）高于 HsMICU1。脂质体浮选实验表明，DdMICU 通过 C 端螺旋结合膜结构，而缺失 C 端螺旋的突变体（DdMICUΔC）丧失膜结合能力，提示该区域在无 EMRE 系统中对维持 MICU 与线粒体膜的相互作用至关重要。
结论与讨论
本研究首次解析了非后生动物中 MICU 的高分辨率结构，揭示其通过三个高亲和力 EF-hand 基序结合 Ca2?，并利用保守的 F-F 二聚体界面和独特的 H-H 四聚体组装方式调控 MCU 活性。在低 Ca2?浓度（<0.3 μM）时，DdMICU 通过 N 端和 C 端螺旋结合 MCU 孔道及线粒体膜，充当 “守门人” 阻断 Ca2?摄取；当 Ca2?浓度升高至阈值以上，Ca2?诱导的结构变化使 DdMICU 从 MCU 解离，同时 C 端螺旋锚定膜表面，确保其快速响应钙信号。
该研究填补了非后生动物 MCU 调控机制的空白，为理解 MCU 复合物的进化提供了关键证据 —— 后生动物依赖 EMRE 的调控模式可能是进化后期的特化，而早期生物通过 MICU 自身的结构多样性实现功能适配。此外，DdMICU 独特的四聚体结构及其与心磷脂的相互作用，为开发不依赖 EMRE 的钙调控干预策略提供了新靶点，有望为相关疾病（如钙稳态异常引发的代谢性疾病）的治疗开辟新方向。研究结果同时强调了跨物种比较在揭示生物大分子功能多样性中的重要性，为后续深入探索线粒体钙信号的调控网络奠定了基础。
