Nature：線粒體融合關鍵蛋白Mfn1結構被破解，揭開數十年謎題

線粒體是高度動態變化的細胞器,其在細胞內不斷分裂、融合并形成網狀結構。線粒體的分裂和融合是由多種蛋白質精確調控完成的。Drp1/Dnm1p,Fis1/Fis1p,Caf4p和Mdv1p參與線粒體分裂的調控；Mfn1/2/Fzo1p控制線粒體外膜的融合,而Mgm1p/OPA1則參與線粒體內膜的融合。在細胞凋亡過程中線粒體片段化,網狀結構被破壞,線粒體嵴發生重構,抑制這一過程可以部分抑制細胞色素c的釋放和細胞凋亡。線粒體形態對於細胞維持正常生理代謝和機體發育起著重要的作用,一旦出現障礙會導致嚴重的疾病。在鼠中刪除Mfn1和Mfn2的任意一個可引起胚胎致死和線粒體片段化。人體中Mfn2上的突變可導致一種經典的軸突末梢感覺運動神經病變——CMT2A (Charcot-Marie-Tooth type 2A )。另外，Mfn1和Mfn2的突變與許多疾病的發生與發展有關，如神經病，肥胖症以及血管疾病等。特別是Mfn2作為一種新的腫瘤相關基因，被發現在多種腫瘤及其細胞系中具有抑制增殖的作用。

Mfn1和Mfn2具有相同的拓撲學結構，帶有兩個空間上緊密相連的跨膜區，N末端和C末端部分均朝向細胞溶質。N端部分含有GTP酶結構域，後面緊跟著一個七肽重複膜序(HR1)，C端含有HR2。現在的線粒體外膜融合模型一般認為位於線粒體表面的Mfn發生順式二聚化(cis-dimerization)，進而促使毗鄰的線粒體外膜發生反式栓連(trans-association)。Mfn栓連線粒體外膜的見解最先來自於Mfn1 C末端HR2的晶體結構。結構顯示這一區域與另一個HR2二聚化形成一個反平行的兩股螺旋(coiled coil)。所以，HR2對於膜融合之前的線粒體栓連是必需的。儘管如此，Mfn介導外膜融合的具體機制仍然不是很清楚，只是知道融合過程依賴於Mfn GTP酶結構域對GTP酶的水解過程。其中，最根本的原因還是缺少Mfn的高解析度三維結構。

中山大學青年千人學者，80後高嵩教授帶領的研究團隊精心設計了一個用於結構解析的Mfn1，含有GTP酶(G)結構域和HR1的前半部分和HR2的後半部分。在此基礎上，該研究團隊成功解析了處於不同GTP酶水解階段的Mfn1的晶體結構。結構由GTP酶結構域和一個四股螺旋束組成(稱為HD1)。因而，整體上Mfn1具有典型的動力蛋白(dymamin)超家族成員拓撲結構。除了G結構域之外，HD1尤其與被認為介導細菌膜融合的細菌動力蛋白樣蛋白BDNP(bacterial dynamin-like protein)的頸部一致。通過分析，Mfn1結構中缺少的截短部分很可能摺疊成類似於BDNL對應部分的螺旋結構，因而將此部分稱為HD2。

與處於其它狀態的結構不同，在過渡態類似物GDP?AlF4-存在的情況下，Mfn1是一個二聚化的結構。這一些列結構揭示了Mfn1催化機制的獨特的特色和在過渡態下GTP的結合是如何有道構像的變化進而促進了G結構域的二聚化。基於結構的突變分析揭示了擾亂了G結構域二聚化的擾亂廢除了Mfn1的融合活性。而且，研究發現Mfn1中的一個保守的天冬氨酸trigger(Asp189)很可能是通過依賴於GTP-load的結構域重排機制來影響線粒體的延長。高教授研究團隊據此提出了Mfn1介導線粒體栓連的機制性模型，進而為線粒體外膜融合機制的分子基礎提供了新的見解。

原始出處：

Cao YL, Meng S, Chen Y, Feng JX, Gu DD, Yu B, Li YJ, Yang JY, Liao S, Chan DC, Gao S.MFN1 structures reveal nucleotide-triggered dimerization critical for mitochondrial fusion.Nature. 2017 Jan 23. doi: 10.1038/nature21077

關於高嵩教授

高嵩，男，國家「千人計劃」創新人才，中山大學腫瘤防治中心、華南腫瘤學國家重點實驗室研究院，博士生導師。

高嵩研究員2005年本科畢業於武漢大學，2011年獲德國柏林自由大學生物化學博士學位。現任中山大學腫瘤防治中心、華南腫瘤學國家重點實驗室研究院，博士生導師。從事dynamin家族蛋白及人類免疫相關蛋白的結構和功能研究。先後獨立並與他人合作解析多個dynamin家族成員如MXA蛋白等的晶體結構，該領域研究成果處於國際前沿。以共同通訊作者或第一作者在Nature，Immunity，PLoS Biology等國際著名雜誌上發表多篇論文，並分別被國際著名雜誌Developmental Cell，Immunity，Nature Reviews Immunology等和其他媒體作為相關領域的重大發現進行了報道。

研究方向:腫瘤相關蛋白的結構生物學研究