线粒体钙单向转运体结构与功能研究

Mitochondrial calcium uptake plays an important role in energy production, cell division and cell death, but little is known about the molecular mechanism of this process. Recent studies have identified mitochondrial calcium uniporter is a highly selective Ca2+ uniporter molecular machinery localized to the mitochondrial inner membrane, and plays a vital role in calcium uptake. In lower eukaryotic organisms, mitochondrial calcium uniporter is composed of a single kind of protein and the structure has been elucidated very recently, which could oligomerize into a homo-tetramer to form the Ca2+ pore. While in higher eukaryotes, mitochondrial calcium uniporter is regulated by a couple of cofactors through assembling into a stable supercomplex, including metazoan EMRE, MICU1 (mitochondrial calcium uptake 1), MICU2 (mitochondrial calcium uptake 2), and sometimes the inactive paralog MCUb. Biochemical studies demonstrated that mitochondrial calcium uniporter could be regulated through different mechanisms at different Ca2+ concentrations. Although several MCU homo-tetramer structures from fungi have been solved in last year, the regulation mechanism of mitochondrial calcium uniporter complexes in higher organism is still mysterious.

线粒体的钙离子吸收影响多种生命活动，如能量代谢，细胞分裂，细胞凋亡等，但是钙离子如何调控这些过程的具体机制许多还处于未知状态。经过科学家的不懈探索终于发现，位于线粒体内膜的线粒体钙单向转运体蛋白，能够高选择性地通透钙离子而对钙离子的摄取发挥至关重要的作用。线粒体钙单向转运体蛋白存在于绝大多数真核生物中，但在低等与高等真核生物中的组成和机制又有很大不同。包括真菌在内的低等真核生物，仅由一个MCU蛋白通过同源多聚就可以形成具有通透钙离子活性的复合物；在高等真核生物中，除了通透钙离子的核心亚基MCU，还需要多个辅助蛋白包括EMRE，MICU1，MICU2和MCUb才能形成有活性的复合物。2018年4篇Nature和Science文章同时报道了真菌的MCU的结构，揭示了该合物的基本特征，但高等真核生物线粒体钙单向转运体蛋白的结构与机制还处于未知状态。本项目立足于揭示该复合物的人源结构。

线粒体Ca2+在多种生命过程中发挥着重要作用，比如影响能量代谢，细胞分裂，细胞凋亡等，位于线粒体内膜的线粒体钙单向转运体，能够高选择性地通透Ca2+，对生命活动发挥重要作用。以真菌为代表的低等真核生物只需要依赖一个亚基MCU就可以发挥转运Ca2+功能，以人为代表的高等真核生物的线粒体钙单向转运体的组成包括核心亚基MCU和EMRE，以及辅助亚基MICU蛋白，有时还包括负调节亚基MCUb。在我们的研究开展以前，线粒体钙单向转运体的具有转运调节机制研究得还不是非常清楚。我们探索了多种蛋白提取体系，最终利用多种病毒同时侵染HEK 293F细胞，成功表达出了人源的该复合物蛋白，并优化纯化和制样条件，最终利用冷冻电镜技术手段首次解析了该复合物的完整的高分率结构。并结合Ca2+转运实验，提出了线粒体钙单向转运体转运Ca2+的“杠杆”调控机制