Nat Cell Biol | 線粒體輸入復(fù)合體驅(qū)動(dòng)線粒體-脂滴膜接觸的分子機(jī)制

撰文 | 阿童木

線粒體是細(xì)胞能量代謝與信號(hào)整合的核心細(xì)胞器，其外膜不僅界定細(xì)胞器邊界，還承擔(dān)蛋白質(zhì) 輸入 和分子交換等功能。與多數(shù)細(xì)胞器類似，絕大部分線粒體蛋白并不在線粒體內(nèi)合成，而是在細(xì)胞質(zhì)核糖體上翻譯后被靶向并 輸入 線粒體。因此，線粒體外膜需要依賴一套高度精密的轉(zhuǎn)運(yùn)與組裝體系，以確保不同類型膜蛋白能夠被正確插入并發(fā)揮功【1】。

在線粒體外膜整合蛋白中，主要存在兩種結(jié)構(gòu)類型：跨膜β-桶蛋白和含α-螺旋跨膜片段的蛋白。β-桶蛋白數(shù)量較少，在酵母和哺乳動(dòng)物線粒體中僅鑒定出約 5 種成員，但它們通常形成跨膜通道，在蛋白質(zhì)和代謝物運(yùn)輸中發(fā)揮關(guān)鍵作用【2】。這類蛋白首先通過外膜通用轉(zhuǎn)位酶復(fù)合物（TOM復(fù)合物）跨越外膜，隨后由分選與組裝機(jī)制復(fù)合物（SAM復(fù)合物）介導(dǎo)插入和折疊。

相比之下，含α-螺旋跨膜結(jié)構(gòu)的蛋白占線粒體外膜整合蛋白的絕大多數(shù)，參與蛋白 輸入 、膜動(dòng)態(tài)調(diào)控以及代謝信號(hào)等多種關(guān)鍵過程。這類蛋白的膜插入主要依賴線粒體插入復(fù)合物（MIM復(fù)合物），該復(fù)合物由Mim1和Mim2組成。MIM既可以直接作為插入酶嵌入底物蛋白，也能夠與TOM和SAM復(fù)合物協(xié)同工作，協(xié)調(diào)外膜蛋白的組裝【3】。然而，MIM復(fù)合物在細(xì)胞器互作和代謝調(diào)控中的潛在功能仍然不清楚。

近日,波恩大學(xué) Thomas Becker 實(shí)驗(yàn)室與弗萊堡大學(xué) Nikolaus Pfanner 實(shí)驗(yàn)室等合作在

Nature Cell Biology

Mitochondria contact lipid droplets through the mitochondrial import complex binding to lipid metabolism enzyme Ayr1

作者 首先通過在Mim2上添加親和標(biāo)簽并結(jié)合質(zhì)譜分析篩選互作蛋白，鑒定到脂質(zhì)代謝酶Ayr1是MIM復(fù)合物的重要結(jié)合伙伴，其共純化效率與Mim1本身相當(dāng)。多種獨(dú)立實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了這一互作關(guān)系，包括雙向親和純化、無標(biāo)簽共免疫沉淀以及裂解后混合對(duì)照實(shí)驗(yàn)等。值得注意的是，在缺乏脂滴形成能力的酵母突變體中，這一相互作用仍然存在，說明 Ayr1能夠直接與線粒體外膜上的MIM復(fù)合物結(jié)合，而不依賴脂滴結(jié)構(gòu) 。

顯微成像結(jié)果顯示，Ayr1在細(xì)胞中呈點(diǎn)狀分布于線粒體網(wǎng)絡(luò)，并與脂滴標(biāo)記蛋白在相鄰區(qū)域共定位，提示Ayr1可能在靠近脂滴的位置與MIM復(fù)合物發(fā)生相互作用，從而在兩種細(xì)胞器之間形成連接結(jié)構(gòu)。功能分析表明，Ayr1缺失并不會(huì)顯著影響MIM、TOM或SAM復(fù)合物的整體水平，也不會(huì)明顯損害MIM對(duì)多數(shù)底物的 輸入 能力。然而，在ayr1?線粒體中，某些MIM底物（如Ugo1）的 輸入 效率會(huì)出現(xiàn)下降。這一現(xiàn)象與線粒體磷脂組成變化有關(guān)： Ayr1缺失會(huì)降低磷脂酸（PA）含量，而PA被認(rèn)為能夠促進(jìn)Ugo1的膜插入。

此外， Ayr1還在脂滴穩(wěn)態(tài)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞缺失Ayr1時(shí)脂滴數(shù)量明顯減少，而過表達(dá)Ayr1則會(huì)增加脂滴數(shù)量。進(jìn)一步研究顯示，Ayr1通過依賴Nem1的途徑促進(jìn)脂滴生物發(fā)生，并在脂肪酸合成受到抑制時(shí)對(duì)抗脂滴降解?？傮w而言， Ayr1通過調(diào)節(jié)線粒體磷脂組成，尤其是PA水平，從而促進(jìn)脂滴形成并維持脂滴穩(wěn)態(tài) 。

作者 隨后檢測(cè)了Ayr1對(duì)線粒體–脂滴接觸位點(diǎn)形成的影響。過表達(dá)Ayr1時(shí)，脂滴相關(guān)蛋白（如Pdr16和Erg1）在分離的線粒體組分中顯著增加，同時(shí)PA水平也出現(xiàn)中度升高。利用split-Venus活細(xì)胞接觸探針實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，Ayr1能夠促進(jìn)線粒體與脂滴之間接觸位點(diǎn)的形成，而缺失Ayr1則明顯削弱這一過程。此外,過表達(dá)Ayr1導(dǎo)致細(xì)胞中線粒體網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)明顯碎裂，并伴隨生長缺陷，這一現(xiàn)象依賴Dnm1介導(dǎo)的線粒體分裂機(jī)制。值得注意的是，酶活性缺失的Ayr1突變體雖然仍能與MIM結(jié)合并定位于線粒體附近，但無法增加接觸位點(diǎn)數(shù)量、脂滴總數(shù)或脂滴蛋白在線粒體中的富集。這表明 Ayr1的酶活性對(duì)于促進(jìn)線粒體–脂滴接觸位點(diǎn)形成以及維持脂滴穩(wěn)態(tài)是必需的 。

Ayr1在細(xì)胞中分布于線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和脂滴等多個(gè)區(qū)室。研究發(fā)現(xiàn)，缺失Mim1會(huì)顯著降低Ayr1在線粒體中的定位水平，說明MIM復(fù)合物（特別是Mim1）對(duì)于Ayr1的線粒體募集至關(guān)重要。在mim1?細(xì)胞中，脂滴數(shù)量減少，與線粒體的關(guān)聯(lián)也明顯下降，同時(shí)脂滴降解速度加快。雙敲除mim1?和ayr1?并不會(huì)進(jìn)一步加重脂滴減少的表型，說明兩者很可能在同一途徑中調(diào)控脂滴穩(wěn)態(tài)。轉(zhuǎn)錄組分析還顯示，在碳源饑餓條件下，MIM1、AYR1和NEM1的表達(dá)水平會(huì)同步上調(diào)。因此， Mim1通過募集Ayr1至線粒體，正向調(diào)控脂滴穩(wěn)態(tài)和線粒體–脂滴接觸位點(diǎn) 。

進(jìn)一步研究表明，Ayr1 C端包含一個(gè)關(guān)鍵的疏水片段（HyS），這一結(jié)構(gòu)對(duì)于其線粒體定位至關(guān)重要。刪除該片段后，Ayr1無法有效靶向線粒體，也不能增加脂滴數(shù)量或促進(jìn)接觸位點(diǎn)形成。當(dāng)用Tom5跨膜結(jié)構(gòu)替換HyS以增強(qiáng)線粒體定位時(shí)，雖然脂滴數(shù)量?jī)H略有增加，但線粒體–脂滴接觸位點(diǎn)顯著增多，并導(dǎo)致線粒體網(wǎng)絡(luò)碎裂。相比之下，將Ayr1重新錨定到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或脂滴則無法有效促進(jìn)接觸位點(diǎn)形成，說明 Ayr1必須通過其天然結(jié)構(gòu)定位于線粒體外膜，才能發(fā)揮完整功能 。

結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步 證明， Ayr1并不是通過完全插入膜結(jié)構(gòu)而錨定在線粒體，而是通過蛋白質(zhì)相互作用與MIM復(fù)合物形成穩(wěn)定復(fù)合體。其C端疏水片段形成一個(gè)α-螺旋發(fā)夾結(jié)構(gòu)，兩端均朝向細(xì)胞質(zhì)，使Ayr1主體位于線粒體表面。將這一發(fā)夾結(jié)構(gòu)突變?yōu)榭缒そY(jié)構(gòu)后，Ayr1會(huì)從MIM復(fù)合物中釋放。功能實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)Ayr1會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性抑制部分MIM底物的 輸入 ， 說明Ayr1與這些底物在MIM復(fù)合物上共享結(jié)合位點(diǎn)。這些結(jié)果提示， MIM復(fù)合物在細(xì)胞中可能存在功能分化：一部分復(fù)合體負(fù)責(zé)傳統(tǒng)的外膜蛋白 輸入 ，而另一部分則通過穩(wěn)定結(jié)合Ayr1參與脂滴穩(wěn)態(tài)調(diào)控和線粒體–脂滴接觸位點(diǎn)的形成 。

綜上所述，本研究揭示了一種 新的線粒體–脂滴連接機(jī)制 。 線粒體外膜的MIM 輸入 復(fù)合體能夠通過結(jié)合脂質(zhì)代謝酶Ayr1，在兩種細(xì)胞器之間建立穩(wěn)定的接觸結(jié)構(gòu)。Ayr1不僅調(diào)控脂滴形成和脂質(zhì)組成，還通過其與MIM的相互作用將脂滴錨定在線粒體表面 。這一發(fā)現(xiàn)表明， 線粒體蛋白 輸入 機(jī)器不僅參與膜蛋白生物發(fā)生，還可以被“功能再利用”為細(xì)胞器互作的平臺(tái)，從而協(xié)調(diào)細(xì)胞脂質(zhì)代謝與細(xì)胞器組織結(jié)構(gòu) 。

https://doi.org/10.1038/s41556-026-01890-3

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Richter-Dennerlein, R., Dennerlein, S. & Rehling, P. Integrating mitochondrial translation into the cellular context.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.16, 586–592 (2015).

2. Araiso, Y., Imai, K. & Endo, T. Role of the TOM complex in protein import into mitochondria: structural view.Annu. Rev. Biochem.21, 679–703 (2022).

3. Doan, K. N. et al. The mitochondrial import complex MIM functions as main translocase for α-helical outer membrane proteins.Cell Rep.31, 107567 (2020).

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