孙飞课题组解析线粒体膜间磷脂酸PA转运精细分子机理

　　2020年8月25日，国际学术期刊《Communications Biology》在线发表了中国科学院生物物理研究所孙飞课题组与香港城市大学范俊课题组合作研究成果 " Molecular mechanism of mitochondrial phosphatidate transfer by Ups1"。该工作以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的线粒体膜间磷脂酸（PA）转运复合物Ups1/Mdm35研究对象， 解析了两种不同的Apo结构以及底物DHPA结合态晶体结构。通过结构分析，结合全原子分子动力学模拟和体外生化实验，详细阐明了Ups1/Mdm35转运PA的动力学过程及其分子机理并提出了工作模型。

　　心磷脂（CL）作为线粒体内膜特异性磷脂，在维持线粒体正常形态和功能上发挥着重要的作用。CL以PA为底物在线粒体内膜的基质侧合成。PA在内质网上合成并由内质网线粒体接触复合物（ERMES）转运至线粒体外膜。2010年德国Thomas Langer组报道线粒体膜间隙Ups1/Mdm35及其哺乳动物同源复合物PRELID1/TRIAP1具有在转运PA的功能。此后，一系列关于起转运PA的分子机理的研究结果相应而出。尽管如此，已有报道只研究了Ups1/Mdm35复合体的Apo状态和底物结合两种状态，对其具体转运磷脂酸过程一些中间状态仍然不清楚，例Ups1/Mdm35如何结合到膜上？PA是如何进入Ups1磷脂结合口袋的？Ups1-PA 复合体如何从膜上解离下来等。本研究通过晶体学研究解析了Ups1/Mdm35复合体的三种结构，其中包括domain swap形式、单体apo形式和底物磷脂酸DHPA(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphate)结合态。与以往研究不同，底物结合态呈现出一种Mdm35与Ups1弱相互作用的状态。研究人员通过一系列生物物理实验，证实了改变Mdm35的 α3螺旋与Ups1的相互作用会影响Ups1与膜的相互作用，继而影响其PA转运活性。全原子动力学模拟和突变实验发现Ups1通过 α2 loop、α3螺旋和L2 loop与膜相互作用，而 α2 loop 上的F69和W65残基在Ups1结合PA前后交替插入到膜中，锚定Ups1分子。研究人员首次提出了Ups1/Mdm35转运PA的分子动力学方程，并推导出Ups1/Mdm35与膜结合的化学平衡常数表达式。最后，综合理论推导和实验研究，提出了Ups1/Mdm35复合体转运PA的详细分子模型(图1)，深化了人们对于脂转运蛋白工作机制的认识。

图 1 Ups1/Mdm35复合体转运PA的分子模型

　　孙飞课题组翟宇佳副研究员、孙飞研究员以及香港城市大学范俊教授为共同通讯作者，孙飞组已毕业博士生陆久维、玉蕾叶及香港城市大学Chun Chan博士为共同第一作者。上海光源为晶体数据收集提供了支持，生物物理实验和样品分析等工作得到了中科院生物物理所蛋白质科学研究平台的大力支持和帮助。此研究得到国家自然科学基金委、科技部及中科院的经费支持。

　　文章链接： https://www.nature.com/articles/s42003-020-01121-x

（供稿：孙飞研究组）