【学术前沿】殷平团队揭示线粒体外膜TOM转位酶复合体组装的分子机制

线粒体是真核细胞能量代谢的主要场所，与动植物的生长发育密切相关。线粒体的生命活动需要多达1000种蛋白质，线粒体蛋白正确的靶向运输是线粒体正常行使功能的基础前提。99%的线粒体蛋白由细胞核基因编码，在细胞质中翻译为蛋白前体，再通过线粒体转运复合体运输至线粒体的各个部位。其中，超过90%的蛋白前体经线粒体外膜TOM转位酶复合体（The translocase of the outer mitochondrial membrane）运输进入线粒体。TOM是由7个亚基组成的膜蛋白复合体，包括核心通道Tom40（β桶膜蛋白）和6个单次α螺旋跨膜蛋白：调控蛋白Tom5、Tom6和Tom7以及受体蛋白Tom20、Tom22和Tom70。TOM的组装是一个瞬时、多步骤且高度动态的过程，研究难度大，受到科学家的广泛关注。已有研究表明，TOM的组装需要线粒体外膜SAM复合物（The mitochondrial sorting and assembly machinery）的协助，但是，SAM复合物如何协助TOM组装的分子机制尚不清楚。

2021年8月26日，湖北洪山实验室、作物遗传改良国家重点实验室和华中农业大学生命科学技术学院蛋白质科学研究团队殷平教授课题组在Science杂志在线发表题为“Structural insight into the SAM-mediated assembly of mitochondrial TOM core complex”的研究论文，揭示了线粒体外膜TOM转位酶复合体组装的分子机制。

为了探索TOM转位酶复合体的组装机制，研究团队另辟蹊径，利用哺乳动物细胞重组表达系统重构了该组装过程，并实现精准控制，人为为组装按下“暂停键”（图1）。该方法使得研究者捕获了TOM组装过程的多个中间态并获得其蛋白样品，攻克了领域内多年来的难题。图1. TOM转位酶复合体的组装

基于此，研究者利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了两个重要中间态的高分辨三维结构（图2），并结合功能分析阐明了SAM复合物组装以及释放TOM的分子机制：在TOM组装过程中，Tom40、Tom5和Tom6在SAM复合物的稳定下进行组装，Tom7促使组装好的Tom40/Tom5/Tom6脱离SAM复合物（图1）。该研究有助于理解TOM转位酶复合体的组装过程，从而更好地探究线粒体蛋白的生物发生，为线粒体疾病治疗和作物遗传改良提供理论基础。同时，该研究的手段和成果有助于为叶绿体蛋白生物发生机制提供新的视角。

图2. TOM转位酶复合体组装中间态的三维结构

据悉，该研究团队于2020年9月8日在 Cell Research 杂志上首次报道了线粒体内膜TIM22转位酶复合体的组成全貌，于2021年4月13日在 Cell Discovery 杂志上报道了线粒体外膜TOM转位酶复合体的二聚体与三聚体转换调控机制。此次 Science 报道的TOM转位酶复合体组装机制，是该研究团队聚焦线粒体蛋白转运分选分子机制的又一突破。

华中农大生科院王强博士、官泽源博士和漆良波博士为该论文共同第一作者，殷平教授为该论文通讯作者，清华大学闫创业研究员参与该研究。校级蛋白质平台为该研究的开展提供了强有力的支持。前期冷冻样品制备和样品筛选主要在华中农业大学电镜平台完成，冷冻电镜数据收集在西湖大学冷冻电镜平台完成。

原文链接：

http://doi.org/10.1126/science.abh0704

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来源：BioArt

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