MICU1调控线粒体钙离子摄取的分子机理

Mitochondrial calcium uptake plays very important role in cellular activities. After more than half a century searching, proteins being responsible for mitochondrial calcium uptake have been identified. One is mitochondrial calcium uniport (MCU) which transports calcium and the other is mitochondrial calcium uptake 1 (MICU1) which sensors calcium. However, the molecular mechanism of the regulation of MCU by MICU1 after calcium bound is currently unknown. We will use the combination of various techniques from biochemistry, cell biology and molecular imaging to study the conformation changes of MICU1 bound to calcium, the interaction between MICU1 and MCU as well as the electrophysiology of MCU regulation by MICU1, and eventually to elucidate the molecular mechanism of calcium influx into the mitochondrial matrix regulated by MICU1. Our results will be vital for the further understanding of mitochondrial calcium uptake, and also provide the basis for designing and screening small molecules to regulate the process of mitochondrial calcium influx as well as shed the light on the treatment of cardiovascular disease and neurodegenerative disease.

线粒体钙离子摄取在细胞的生命活动中发挥着极其重要的作用。通过长达半个多世纪的研究，负责线粒体钙离子摄取的蛋白质分子才被鉴定出来:线粒体钙离子单向运输体（MCU）主要负责钙离子运输和线粒体钙离子感受器(MICU1)主要负责感受钙离子。然而，MICU1如何感受线粒体内钙离子浓度变化，进而调控MCU的功能的分子机制还不是很清楚。申请人拟运用生物化学、细胞生物学和分子影像技术来研究线粒体MICU1结合钙前后的构象变化，MICU1和MCU之间的相互作用以及MICU1调控MCU通道的电生理信号，最终阐明MICU1调节钙离子运输进入线粒体基质的分子机制。本项目的研究结果对理解线粒体钙离子摄取的进程将会产生重要的影响，也为进一步设计并筛选小分子抑制剂调节线粒体钙离子摄取提供分子基础，以及为心脏疾病和神经退行性疾病的治疗提供理论指导意义。

线粒体钙离子摄取在细胞的生命活动中发挥着极其重要的作用。线粒体钙离子感受器(MICU1)主要负责感受细胞胞浆内钙离子浓度的变化，调控线粒体钙离子单向运输体（MCU）的功能进行线粒体钙离子摄取。本项目主要研究线粒体MICU1结合钙前后的构象变化，MICU1和MCU之间的相互作用以及MICU1调控MCU通道的分子机制。在本项目的支持下，我们总共发表了14篇SCI论文。其中通讯作者13篇，包括在Nature Communications, EMBO J, PNAS这些著名的国际期刊上各发表一篇。在CMLS杂志上发表受邀请的综述文章一篇。根据研究计划，我们首先利用x-射线技术测定了MICU1结合钙离子和不结合钙离子的三维结构，衍射分辨率分别为2.7埃和3.2埃。结构表明，MICU1每个分子可以结合两个钙离子。通过两个结构的比较，我们发现钙离子的结合引起了非常明显的构象变化，还引起整个聚合状态的改变。接下来，我们还发现MICU1分子的C-末端螺旋诱导MICU1在无钙的时候形成六聚体。通过免疫共沉淀方法，我们发现这个C-末端螺旋可以在有钙和无钙条件下，与钙离子通道MCU相互结合。MICU1在缺失这个C-螺旋后，活性消失。我们还利用siRNA方法敲除本底的MICU1，然后进行了野生型MICU1和突变缺陷的MICU1互补实验，并根据线粒体荧光实验测定不同MICU1状态下，线粒体摄取钙离子的能力。最后，我们建立了293细胞真核膜蛋白表达系统，利用人工脂膜电生理技术研究了钙离子通过MCU运输进入线粒体基质的过程。我们发现，低等动物的MCU是自激活状态，在人工脂膜的环境下可以通透钙离子。但是高等动物的MCU处于抑制状态，需要另外一个亚基EMRE来激活MCU才能通透钙离子。综上所述，我们证明了MICU1位于线粒体内外膜间质内，并且感受胞内钙离子浓度变化而进行信号传导。更为重要的是MICU1在低钙浓度下抑制钙离子通道，在高钙浓度下激活钙离子通道。这些研究结果为理解线粒体钙离子运输机器的分子机理奠定了极其重要的意义，也为进一步设计并筛选小分子抑制剂调节线粒体钙离子摄取提供分子基础，以及为心脏疾病和神经退行性疾病的治疗提供理论指导意义。