科學家揭示線粒體鈣離子單向轉運蛋白MCU的結構機制

　　5月3日，國際學術期刊《自然》（Nature）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所國家蛋白質科學中心（上海）周界文研究組及哈佛醫學院Vamsi Mootha 研究團隊的研究論文“Architecture of the Mitochondrial Calcium Uniporter”。該研究采用核磁技術結合電鏡技術首次揭示了線粒體鈣離子單向轉運蛋白MCU（Mitochondrial Calcium Uniporter）跨膜核心區域的三維結構，是迄今為止使用核磁共振技術解析出的最大的離子通道結構。研究表明，MCU形成的是同源五聚體，與以往報道的其他鈣離子通道的結構截然不同，對鈣離子的選擇機制和轉運機制具有其獨特性。

　　鈣離子參與一切生命活動過程，是生命體不可缺少的離子。MCU是線粒體攝入鈣離子的重要分子機器，對線粒體的能量代謝和維持細胞生存起著關鍵作用。早在50多年前科學家就發現了線粒體對鈣離子的吸收作用，但直到2011年介導鈣離子進入線粒體的單向轉運體才被美國Mootha實驗室和意大利的Rizzuto實驗室正式發現。令人驚訝的是，線粒體吸收鈣離子不是簡單地由單個蛋白轉運，需要由多個蛋白質形成的復合體完成。跨膜MCU是這個蛋白質復合體的中心，位于線粒體內膜，其它調控蛋白包括MICU1、MICU2、MCUb、 EMRE。因此，MCU轉運鈣離子是一個高度復雜并受到嚴格控制的過程。如何在分子水平上揭示MCU的結構基礎，闡明MCU轉運鈣離子的本質，將對線粒體內穩態的理解和線粒體相關疾病的治療具有重要意義，并將拓展對離子通道的認識和理解。

　　MCU作為近年來科學界的重要發現，國內外頂尖科研團隊紛紛開展了對其分子基礎的研究，而MCU體系的復雜性為這一問題的解決帶來了巨大的挑戰。在國家蛋白質科學中心（上海）研究員周界文和叢堯的共同指導下，博士研究生董穎利用國家蛋白質科學研究（上海）設施（簡稱“上海設施”）電鏡分析系統，通過負染電鏡的方法獲得了MCU蛋白的整體形貌，發現MCU形成了一個“花瓶形”的同源五聚體，然而MCU精確的結構信息仍然缺乏。為了攻克這樣一個整體分子量達到90 kDa以上、非常有挑戰性的蛋白質，周界文繼續帶領其團隊研發了一整套高效的膜蛋白核磁技術，充分利用了上海設施的高場核磁譜儀，解析了MCU高分辨率的核磁結構，清楚地揭示了MCU中鈣離子特異性選擇的通道入口。哈佛醫學院的Vamsi Mootha團隊進一步用功能實驗驗證了結構中觀察到的重要位點對MCU的鈣離子轉運非常關鍵。此外，國家蛋白質科學中心（上海）研究員歐陽波在蛋白樣品的制備和數據分析上提供了很大的幫助，核磁系統的高級工程師劉志軍協助采集了一系列高質量的核磁圖譜，電鏡系統的高級工程師孔亮亮悉心指導了電鏡儀器和軟件的使用，使得該研究得以順利完成。

　　上海設施自2014年5月開放至今，核磁和電鏡分析系統累計服務用戶課題超過210個，為多項國家科技戰略先導專項、“973”和“863”項目等提供科研保障和技術支撐。截至2016年4月，上海設施用戶已經在Nature、Nature子刊、JACS、PNAS 等國際期刊上發表了超過12篇文章，為各領域科學研究起到重要的推動作用。核磁和電鏡分析系統現在正全面開放運行。

　　該研究工作受到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家科技部、國家科技重大專項、國家自然科學基金委以及上海市科委基礎研究項目的經費資助，并得到國家蛋白質科學研究（上海）設施核磁系統以及電鏡系統的大力支持。

　　線粒體鈣離子單向轉運體MCU的通道結構。(A) 單顆粒重組獲得的負染電鏡圖；(B) 鈣離子轉運通道示意圖；(C) MCU五聚體的核磁結構示意圖；(D)MCU單體的結構組成。