王桂凤课题组报道植物平行进化产生MCIA-like复合物调控线粒体复合物I装配和种子发育的分子机制

线粒体是起源于最后真核生物共同祖先（last eukaryotic common ancestor, LECA）的半自主性双层膜细胞器。线粒体功能丧失会导致多种新陈代谢异常疾病，例如雷氏病 (Leigh's disease)、阿尔兹海默症和癌症等。相较于人类，线粒体在植物生长发育过程中具有重要的作用，例如线粒体缺失会影响信号传递和种子败育等。

线粒体复合物I（NADH-泛醌氧化还原酶）是氧化磷酸化系统第一个也是最大最精密的复合物，主要负责泵出质子。人类的线粒体复合物I由45个亚基组成；而植物线粒体复合物I含有49个亚基，还包括植物特有的γ-碳酸酐酶（γ-carbonic anhydrase, γCA）。冷冻电镜（cryo-electron microscopy, cryo-EM）分析表明，细菌和真核生物复合物I均呈“L”型结构，由伸入基质的亲水性臂（N和Q模块）和嵌入内膜的疏水性臂（PP和PD模块）组成。作为呼吸链中最大的成员，复合物I由多个亚基和装配因子组成的中间产物（intermediates）有序组装而成。目前，动物中已鉴定出至少20个装配因子参与复合物I的生物合成；而植物中仅鉴定出3个装配因子。

哺乳动物线粒体复合物I装配因子复合物（mitochondrial complex I intermediate assembly complex, MCIA complex）由7个核心因子组成，包括NDUFAF1、ECSIT、ACAD9、TMEM126B、TMEM186、COA1以及TIMMDC1。这些装配因子相互依赖、相互作用，协同介导线粒体复合物I膜臂PP模块的组装。惊奇的是，动物中参与PP模块形成的装配因子在植物中几乎完全丢失，仅有NDUFAF1在所有真核生物中保留。因此，植物是否进化出新的PP模块装配的路径，是否有新的装配因子以及NDUFAF1直系同源蛋白质在植物中的作用都是很有趣的生物学问题。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.08.001

2022年8月11日，河南农业大学王桂凤教授课题组在Molecular Plant在线发表了题为A MCIA-Like Complex is Required for Mitochondrial Complex I Assembly and Seed Development in Maize的研究论文，报道了植物平行进化（parallel evolution）产生MCIA-like复合物调控线粒体复合物I装配和玉米籽粒发育的分子机制。

该研究首先鉴定并图位克隆了一个新的玉米籽粒皱缩突变体，命名为crp1。CRP1编码植物进化中唯一保留的人类MCIA装配复合物成员NDUFAF1的直系同源蛋白zNDUFAF1。该蛋白质的确定位于线粒体，且zNDUFAF1功能丧失导致复合物I的装配和功能特异性地降低、三羧酸 (TCA) 循环受阻但无氧糖酵解代偿路径增强以及胚乳细胞线粒体空泡化。BN-PAGE免疫印迹分析发现，zNDUFAF1富集于450和650 kDa的装配中间复合物，二者分别包含PP和Q/PP模块中的亚基。而这些装配中间体与人类含有NDUFAF1的MCIA复合物装配路径极其相似，表明植物中极有可能存在类似的复合物参与PP模块的组装。

通过生物信息学和IP-MS分析发现，zNDUFAF1可能与人类MCIA复合物TIMMDC1和ACAD9的同源蛋白ZmTIM17-1 and ZmIVD1存在相互作用；进一步通过多种互作方法证实三者存在物理互作。最后综合生化、遗传证实植物中存在MCIA-like复合物参与复合物I的装配。

综上，本研究揭示了植物中存在MCIA-like复合物参与线粒体复合物I的装配和种子发育；同时植物和动物独立招募MCIA成员用于复合物I装配，表明平行进化（parallel evolution）在线粒体适应宿主中具有重要作用。

王刚副教授、在读博士王永彦和毕业硕士倪嘉成为该论文的第一作者，汤继华教授、杨青华教授和澳大利亚西澳大学Monika W. Murcha教授参与指导了此项工作，王桂凤教授为该论文的通讯作者，河南农业大学为论文第一单位。该研究得到国家重点研发计划专项、国家自然科学基金等联合资助。

转自：植物科学最前沿

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