人源线粒体丙酮酸载体MPC1-MPC2复合物的冷冻电镜结构揭示丙酮酸转运与抑制机制

本研究针对线粒体丙酮酸载体(MPC)的结构与功能机制这一关键科学问题，通过冷冻电镜技术解析了人源MPC1-MPC2复合物在基质开放态(Matrix-open state)和抑制剂结合态的高分辨率结构。研究发现MPC通过不对称构象变化实现丙酮酸转运，并揭示了抑制剂UK5099通过占据丙酮酸结合位点阻断转运的分子机制。该成果为理解线粒体代谢调控提供了结构基础，对开发针对癌症、神经退行性疾病和糖尿病的MPC靶向药物具有重要指导意义。论文发表于《Nature Communications》。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其代谢调控机制一直是生命科学研究的核心问题。丙酮酸作为连接糖酵解与三羧酸循环的关键代谢物，必须通过线粒体内膜上的特异性载体——线粒体丙酮酸载体(MPC)才能进入线粒体基质。然而，这个仅由MPC1和MPC2两个小分子蛋白组成的异源二聚体，其三维结构和工作机制长期困扰着科学家。更令人关注的是，MPC功能异常与癌症、糖尿病和神经退行性疾病等多种重大疾病密切相关，但相关药物开发却因缺乏结构指导而进展缓慢。

为破解这一难题，德克萨斯大学西南医学中心(UT Southwestern Medical Center)的研究团队通过冷冻电镜技术，首次解析了人源MPC1-MPC2复合物在两种不同构象状态下的高分辨率结构。研究发现MPC通过独特的"不对称构象变化"机制实现丙酮酸转运，并精确揭示了临床候选药物UK5099的结合位点和抑制原理。这项发表于《Nature Communications》的研究，为理解线粒体代谢调控提供了关键结构基础，也为开发新一代代谢疾病治疗药物指明了方向。

研究人员主要运用了以下关键技术：冷冻电镜技术解析MPC1-MPC2复合物结构；工程化MBP-DARPin融合蛋白增强小分子复合物的成像对比度；酵母生长互补实验验证蛋白功能；等温滴定量热法(ITC)测定抑制剂结合亲和力；分子对接模拟预测丙酮酸结合模式。

Structure determination of human MPC1-2 complex

研究团队创新性地设计了MPC1-MBP和MPC2-DARPin融合蛋白，成功将分子量仅26kDa的MPC1-MPC2复合物颗粒增大至适合冷冻电镜分析的大小。通过优化样品制备条件，最终获得了基质开放态(结合UK5099抑制剂)3.12?和膜间隙开放态(MPC2^W82F突变体)2.77?的高分辨率结构。

Structure of MPC1-2 at matrix-open state

结构分析显示，MPC1和MPC2各含3个跨膜螺旋(TM1-3)，以1-3-2拓扑排列形成伪对称的六螺旋束。在基质开放态中，MPC1-TM1与MPC2-TM2、MPC1-TM2与MPC2-TM1分别相互作用形成转运通道，通道在基质侧开放而在膜间隙侧关闭。

UK5099 binding pocket

研究发现UK5099的羧基与MPC2^Lys49、MPC1^His84形成亲水相互作用，氰基则与MPC2^Asn100形成氢键。关键突变实验证实MPC2^Lys49和^Asn100对丙酮酸转运和抑制剂结合至关重要，表明UK5099通过占据丙酮酸结合位点实现竞争性抑制。

Structure of MPC1-2 at IMS-open state

通过引入MPC2^W82F功能突变，团队成功捕获了膜间隙开放态结构。比较两种构象发现，MPC1-TM3围绕^His84逆时针旋转30°，而MPC2-TM3围绕^Asn100顺时针旋转6°，导致通道开口方向发生反转。

Conformational changes of MPC

深入分析揭示了MPC独特的"不对称构象变化"机制：MPC1-TM1在^Pro37处弯曲驱动基质侧开口，而MPC2-TM1则在^Gly56处弯曲调控膜间隙侧开口。这种不同于同源二聚体SemiSWEET转运体的工作机制，体现了MPC在进化过程中的功能特化。

这项研究首次完整揭示了MPC介导丙酮酸转运的分子机制，解决了该领域长达50年的科学难题。结构分析表明，临床药物UK5099通过"双锁机制"抑制MPC功能：既竞争性占据丙酮酸结合位点，又稳定基质开放态构象阻断构象转换。研究发现MPC2^Lys49和^Asn100构成pH感应中心，解释了丙酮酸转运的pH依赖性特征。这些发现为开发靶向MPC的癌症代谢疗法、糖尿病治疗药物和神经退行性疾病干预策略提供了精确的结构模板，具有重要的临床转化价值。