在絕大多數(shù)真核細(xì)胞中，線(xiàn)粒體不斷進(jìn)行著分裂（fission）和融合（fusion）以應(yīng)對(duì)細(xì)胞的生理需求和外部環(huán)境的改變。這種動(dòng)態(tài)平衡的失調(diào)會(huì)影響線(xiàn)粒體的正常生理功能，并導(dǎo)致一系列人類(lèi)疾病的發(fā)生，例如多種神經(jīng)退行性疾病，代謝疾病和惡性腫瘤等。線(xiàn)粒體的融合包含兩個(gè)步驟，即由MFN介導(dǎo)的外膜融合和由OPA1介導(dǎo)的內(nèi)膜融合。由于相關(guān)蛋白質(zhì)機(jī)器結(jié)構(gòu)信息的缺乏，線(xiàn)粒體融合的機(jī)制一直不甚明確。
2020年10月19日，中山大學(xué)腫瘤防治中心高嵩研究員和中科院生物物理所胡俊杰研究員應(yīng)邀在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域著名綜述期刊Trends in Cell Biology（IF = 16）上以共同通訊作者發(fā)表了題為“線(xiàn)粒體融合：內(nèi)外兼修”的綜述文章“Mitochondrial Fusion: The Machineries In and Out”。此文章總結(jié)了線(xiàn)粒體融合相關(guān)蛋白質(zhì)機(jī)器的最新前沿研究進(jìn)展及其所揭示的可能的融合機(jī)制，討論了線(xiàn)粒體融合研究對(duì)其他發(fā)動(dòng)蛋白認(rèn)知的啟示，并分析了線(xiàn)粒體內(nèi)外融合蛋白突變分別導(dǎo)致遺傳性神經(jīng)疾病的分子機(jī)理。
該綜述在以下方面對(duì)線(xiàn)粒體融合機(jī)制進(jìn)行了介紹：
1. 介導(dǎo)線(xiàn)粒體融合的蛋白質(zhì)機(jī)器
線(xiàn)粒體融合會(huì)提升細(xì)胞氧化磷酸化的水平，并有助于線(xiàn)粒體DNA的損傷修復(fù)。介導(dǎo)線(xiàn)粒體外膜融合的基因mitofusin（哺乳動(dòng)物包含MFN1和MFN2兩個(gè)同源基因，酵母中為單一的Fzo1）和介導(dǎo)內(nèi)膜融合的OPA1（Optic atrophy 1）在二十世紀(jì)九十年代末期被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。然而，這些蛋白的性質(zhì)（多聚、膜錨定）對(duì)研究它們的結(jié)構(gòu)造成了很大困難。
2. 線(xiàn)粒體融合蛋白與發(fā)動(dòng)蛋白dynamin的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)
線(xiàn)粒體內(nèi)外膜融合的分子機(jī)器均屬于發(fā)動(dòng)蛋白（dynamin）超家族成員。dynamin超家族成員是一類(lèi)介導(dǎo)膜塑形的多結(jié)構(gòu)域的GTP酶（圖1）。介導(dǎo)膜分裂和膜融合的dynamin家族成員（fission dynamins and fusion dynamins）具有不同的特性。MFN和OPA1作為功能性的fusion dynamin，其結(jié)構(gòu)與其他已知結(jié)構(gòu)的dynamin家族蛋白有聯(lián)系，亦有區(qū)別。
圖1：dynamin家族成員的結(jié)構(gòu)。（A）結(jié)構(gòu)域分布示意圖。（B）晶體結(jié)構(gòu)對(duì)比。
3. MFN的結(jié)構(gòu)與線(xiàn)粒體外膜融合
MFN介導(dǎo)的線(xiàn)粒體外膜融合包含栓連（tethering）、貼靠（docking）和合并（merger）三個(gè)連續(xù)的步驟。高嵩團(tuán)隊(duì)和胡俊杰團(tuán)隊(duì)分別報(bào)道了MFN1片段在不同GTP水解狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)。MFN1在GTP水解過(guò)程中發(fā)生局部和整體的構(gòu)象變化，并通過(guò)GTP酶結(jié)構(gòu)域的二聚化來(lái)介導(dǎo)線(xiàn)粒體外膜的栓連。MFN2和MFN1雖然結(jié)構(gòu)和功能類(lèi)似，但在調(diào)控方式和疾病相關(guān)性方面存在一定差異。高嵩團(tuán)隊(duì)近期研究發(fā)現(xiàn)靈長(zhǎng)類(lèi) MFN2具有比MFN1更強(qiáng)的膜栓連效率。另一方面，MFN1和MFN2可以通過(guò)GTP酶結(jié)構(gòu)域形成異源二聚體。MFN全長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)目前仍然未知，因此線(xiàn)粒體外膜最終融合的機(jī)制并不十分明確。
圖2：MFN介導(dǎo)線(xiàn)粒體外膜融合的機(jī)制。（A）MFN1/2的結(jié)構(gòu)及其與BDLP的對(duì)比。（B）線(xiàn)粒體外膜融合過(guò)程示意圖。
4. OPA1/Mgm1的結(jié)構(gòu)與線(xiàn)粒體內(nèi)膜融合
在外膜融合后，內(nèi)膜融合必須快速高效的跟進(jìn)完成。此外，內(nèi)膜融合蛋白OPA1/Mgm1需要發(fā)生部分水解，成為整合型和可溶性?xún)煞N形式，才能順利完成融合反應(yīng)。此外，OPA1還需參與嵴的塑形。近期解析的多個(gè)OPA1/Mgm1結(jié)構(gòu)表明，內(nèi)膜融合蛋白呈現(xiàn)了“頭對(duì)頭”、“頭對(duì)尾”、“背靠背”等三種交互的界面，因此能以多種方式組裝。其中，頭對(duì)頭和背靠背界面可能參與了嵴的塑形，而融合則可能以來(lái)頭對(duì)尾的串聯(lián)形成小規(guī)模的螺旋，從而在每側(cè)的膜上形成較不穩(wěn)定的膜凸起，當(dāng)兩側(cè)的膜凸起對(duì)接時(shí)，內(nèi)膜融合即可完成（圖3）。
圖3：OPA1/Mgm1介導(dǎo)線(xiàn)粒體外膜融合的機(jī)制。（A）OPA1/Mgm1的結(jié)構(gòu)。（B）Mgm1的聚合方式。（C）嵴塑形的機(jī)制。（D）線(xiàn)粒體內(nèi)膜融合過(guò)程示意圖。
5. 線(xiàn)粒體融合研究的啟示
根據(jù)現(xiàn)有的融合模型，MFN2突變大多直接影響了線(xiàn)粒體外膜的拴連和融合，而OPA1突變則更多的影響了嵴塑形或蛋白穩(wěn)定，從而間接破壞內(nèi)膜融合。線(xiàn)粒體融合蛋白的研究幫助我們提煉出鑒別發(fā)動(dòng)蛋白究竟是介導(dǎo)融合還是裂解的規(guī)律：融合類(lèi)發(fā)動(dòng)蛋白更多依賴(lài)二聚化，而裂解類(lèi)發(fā)動(dòng)蛋白傾向于形成多聚體；融合類(lèi)發(fā)動(dòng)蛋白基本都為整合膜蛋白，而裂解類(lèi)發(fā)動(dòng)蛋白則多為外周膜蛋白。
總結(jié)與展望
結(jié)構(gòu)分析在線(xiàn)粒體融合機(jī)制研究中起到關(guān)鍵作用。然而，一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尚未被解析。除了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析手段，cryo-ET和FRET等生物物理技術(shù)也將在線(xiàn)粒體融合研究中起到重要作用。MFN和OPA1的全長(zhǎng)分子如何工作，其介導(dǎo)的內(nèi)外膜融合如何協(xié)調(diào)發(fā)生也是領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。由此，內(nèi)外膜融合機(jī)器的體外共重組，即雙層膜的體外重組的實(shí)現(xiàn)將是線(xiàn)粒體融合機(jī)制下一步研究的關(guān)鍵所在。
該工作受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.cell.com/trends/cell-biology/fulltext/S0962-8924(20)30188-4
