心肌线粒体ATP合酶二聚体构象受心磷脂酰基链组成调控的分子机制及其在Barth综合征中的病理意义

研究人员通过分子动力学模拟揭示了Barth综合征(BTHS)中线粒体心磷脂(CL)酰基链组成异常（三油酰基单溶血心磷脂3OCL替代四亚油酰基心磷脂TLCL）如何通过降低ATP合酶二聚体界面亲和力，导致二聚体楔形角减小、膜曲率异常，最终影响氧化磷酸化(OXPHOS)效率。该研究为理解CL在维持线粒体嵴结构和功能中的分子机制提供了新见解。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其内膜形成的嵴结构是氧化磷酸化(OXPHOS)的核心场所。这些嵴的独特拱形结构由ATP合酶二聚体阵列支撑，而心磷脂(CL)这种具有四个酰基链的特殊磷脂被认为是维持嵴形态的"分子胶水"。然而在罕见的X连锁遗传病Barth综合征(BTHS)中，由于TAZ基因突变导致CL成熟缺陷，患者线粒体内积累单溶血心磷脂(MLCL)，伴随嵴结构紊乱和心脏功能障碍。尽管已知CL与ATP合酶二聚体存在相互作用，但CL酰基链组成如何精确调控二聚体构象及其对嵴形态影响的分子机制仍不清楚。

来自西班牙的研究团队在《Communications Chemistry》发表的研究中，通过粗粒化分子动力学(CG-MD)模拟技术，构建了包含哺乳动物ATP合酶F_o结构域的二聚体模型，分别嵌入健康（含TLCL）和BTHS（含3OCL）两种线粒体内膜(IMM)脂质环境。研究结合自由能微扰(FEP)计算和平均力势(PMF)分析，系统比较了不同CL物种对二聚体构象、膜力学性质及稳定性的影响。

关键技术方法包括：(1)基于牛ATP合酶晶体结构(PDB 6ZBB)构建F_o二聚体粗粒化模型；(2)建立含18% TLCL或3OCL的IMM脂质双层体系；(3)进行10组6μs的CG-MD模拟；(4)通过FEP计算结合自由能差异；(5)采用伞采样法测定二聚体解离PMF；(6)通过膜波动谱分析计算弯曲刚度(K_c)。

心磷脂酰基链组成决定ATP合酶二聚体界面构象

健康IMM模型中，TLCL在二聚体界面形成选择性富集区（平均12.7个），而BTHS模型中3OCL仅维持8.4个且与POPC/POPE共存。FEP计算显示TLCL结合自由能比3OCL低3.9 k_BT，证实四酰基链CL具有更高界面亲和力。

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脂质环境调控二聚体楔形角与膜力学性质

健康模型呈现73°的典型楔形角（BTHS模型仅65°），与cryo-EM数据相符。TLCL通过其倒锥形分子结构更好地适应j亚基形成的"梨形"界面，产生更大的膜厚度错配（3.89 nm vs BTHS的3.99 nm）。膜波动分析显示BTHS模型弯曲刚度增加50%，阻碍膜正常弯曲。

心磷脂电离状态而非酰基链组成决定二聚体稳定性

出乎意料的是，PMF分析显示两种CL物种的二聚体结合能相当（≈21 k_BT），但单电离CL（TLCL-1/3OCL-1）使结合能降低5 k_BT。这表明CL的"分子胶"功能主要依赖磷酸基团电离状态，而TLCL通过更多桥接脂质（平均16 vs 3OCL的25个）优化界面溶剂化。

该研究首次阐明CL酰基链组成通过"形状互补"机制调控ATP合酶二聚体构象的分子路径：成熟TLCL通过其四酰基链结构更有效填充二聚体界面空隙，维持较大楔形角从而支撑嵴边缘的高曲率；而BTHS相关的3OCL导致界面脂质组成异质性增加，引发膜刚性升高和曲率缺陷。这些发现为解释BTHS患者线粒体嵴结构异常和OXPHOS功能障碍提供了机制性见解，提示调节CL酰基链组成或可成为改善线粒体形态功能的治疗策略。研究还提出创新观点：CL的电离状态可能作为"分子开关"，通过pH依赖的质子化调节二聚体稳定性，这为理解线粒体膜电位与嵴动态重塑的关系提供了新思路。