Nature：OPA1重塑线粒体膜的结构机制

原文题目：Structural mechanism of mitochondrial membrane remodelling by human OPA1

通讯作者：Halil Aydin

隶属单位：科罗拉多大学博尔德分校生物化学系

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06441-6

真核细胞将专门的生化反应隔离成离散的膜和非膜隔室。对于膜分隔的细胞器，由蛋白质和脂质催化剂驱动的融合和裂变反应在空间上组织细胞及其能量梯度。聚变和裂变反应对于细胞内和细胞之间的分化和交流也是必要的。这些原理在线粒体等细胞器中很明显，这些细胞器被组织成动态互连的小管。线粒体网络的形态来自膜融合和裂变反应的平衡，因此控制能量稳态和许多其他功能。调节线粒体形状和连接的关键蛋白是OPA1，一种机械化学GTP酶。OPA1催化线粒体内膜（IM）的融合，塑造嵴的动态结构。这些活动影响氧化磷酸化（OXPHOS）、细胞凋亡、活性氧产生和线粒体DNA维持。此外，OPA1对于分化细胞的形成和功能至关重要，尤其是骨骼肌和心肌血管和神经元。OPA1缺乏导致线粒体功能障碍和心肌病、代谢性中风、常染色体显性视神经萎缩， 贝洱综合征和其他遗传性疾病，包括各种神经病。

在人类中，OPA1 前体的八种亚型通过线粒体靶向序列 （MTS） 表达并定向到线粒体膜间空间。在线粒体内，MTS被切割掉以产生长形式（L-OPA1），其N端锚定在IM上。调节蛋白水解可以产生短形式（S-OPA1），其缺乏跨膜（TM）结构域，并且这种蛋白水解切割对于IM融合至关重要。长亚型和短亚型，组装并共组装成低聚物以一起重塑膜，对于线粒体网络的平衡组织是必要的。因此，细胞中的OPA1组装体包含异质蛋白，其差异由不同的剪接模式，蛋白水解模式和翻译后修饰引起。OPA1还与其他几种线粒体蛋白相互作用，包括核心MICOS成分MIC60和菱形蛋白酶PARL，进一步调节其膜重塑特性。OPA1的活性通过膜结合进行独特的调节。先前的研究表明，OPA1优先与含有心磷脂（CL）的膜结合，并且CL增强GTP水解活性。这种蛋白质-脂质相互作用对于膜融合和吱吱形状是必要的，因此突出了CL在线粒体形态中的关键作用。尽管OPA1及其同系物的结构和机制研究取得了进展，CL依赖性膜组装和重塑机理仍不清楚。在这里，研究人员试图了解OPA1的构象变化如何被转移到其桨叶结构域（PD），以及PD如何扰乱双层结构并调节OPA1的膜重塑活性。为了更好地定义OPA1介导的膜重塑的亚基排列，膜结合位点和分子机制，研究人员在富含CL的膜上重建了人S-OPA1，以确定曲率和膜扰动变化的不同S-OPA1构象的结构。研究人员通过比较基于结构和疾病相关的突变与体外生化分析以及测量活细胞中OPA1变体的活性来验证这些结构模型。

图2：膜结合S-OPA1聚合物的冷冻电镜重建，显示蛋白质-脂质相互作用。

在这里，研究人员使用冷冻电镜和CX-MS确定了膜结合人OPA1的两种功能状态的结构。这些结构激发了基于细胞的诱变实验，以探索控制线粒体形态和功能的膜重塑和融合机制。从这些努力中，研究人员展示了OPA1如何塑造脂质膜，以及这些活动如何通过特定的蛋白质 - 蛋白质和蛋白质 - 脂质相互作用影响线粒体形态。OPA1结构域的结构灵活性表明OPA1蛋白型如何适应不同的构象并识别负曲面，正如真菌MGM1所示。研究人员在正曲率表面上的发现揭示了大GTP酶如何通过插入和去除PD来调节线粒体形态来扰乱脂质小叶的独特见解。研究人员的研究结果还为与OPA1突变相关的病理提供了分子解释。

研究人员强调了PD在膜组装和变形中的重要作用。在PD中，OPA1在α-螺旋α1之间包含一个独特的MIL。P和 α2P，可以充当深部膜锚。MIL内的残基与脂质形成密切的相互作用。此外，在研究人员的重建中，与S-OPA1相关的脂质样密度的存在支持了OPA1可以诱导膜堆积缺陷以促进膜融合的观点。研究人员的研究结果表明，PD相互作用的功能重要性在于克服局部膜弯曲所需的大能量势垒，最终导致活细胞中的线粒体IM融合。八种 OPA1 亚型以及 L 和 S 蛋白型含有 α3PPD界面的螺旋，因此此功能是理解由体内异质低聚物组成的低聚物OPA1机器的关键。

图 3：OPA7 组件的界面 1 对于线粒体形态的调节至关重要

研究人员还研究了S-OPA1晶格较窄的膜远端构象是否可以归因于动力冲程样收缩机制。在动力蛋白家族GTP酶中，动力冲程是指GTP诱导的反式GTP酶结构域的二聚化，以及GTP磷酸γ水解和二聚体解离后BSE-GTPase结构域的大规模运动。BSE的摆动与超分子螺旋晶格的相邻匝的滑动有关，为目标膜上的整个环的收缩提供动力。对于S-OPA1，膜-近端和膜-远端构象均在GMPPCP存在下测定。在这两种结构中，BSE和GTPase结构域相对于茎的位置几乎相同，并且与GTPγS结合的MGM1结构相当。相比之下，PD位置相对于茎和膜表面，在膜近端构象与远端构象之间发生了实质性变化，这表明膜收缩的新机制与典型动力冲程无关。由于细丝的外径在两种构象上相似，研究人员假设PD相对于茎结构域的运动将膜层径向向内推动以产生高曲率管并从外小叶中去除MIL。

图4：膜结合S-OPA1的构象变化导致膜包埋的融合环与外小叶解离

先前对线粒体融合的研究表明，L-OPA1和S-OPA1协同催化膜融合。尽管细胞内有效融合所需的L-和S-OPA1的结构排列尚未完全了解，但这些研究的结果表明，L-OPA1和S-OPA1形成高阶组件以协调线粒体膜的融合。研究人员的研究结果表明了OPA1介导的线粒体IM融合的机制，其中S-OPA1及其PD在驱动IM融合中起主要作用。研究人员建议IM锚定的L-OPA1分子启动膜重塑并募集可溶性S-OPA1以快速聚合成包裹线粒体IM的柔性圆柱形支架。特别是外小叶内PD的二聚化所提供的能量将IM塑造成中等曲率的小管。随后，茎与PD之间角度的协同构象变化导致PD从脂质双层中提取并扰动外小叶脂质堆积以产生额外的曲率应力，这些应力共同产生易于融合的不稳定膜。膜的进一步管化使两个双层紧密贴合，并驱动高曲率IM小管融合成单个膜。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06441-6

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