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er -线粒体的超分子结构在其原生环境中遇到结构

迈克尔·r·沃兹尼,安德烈·迪卢卡,达斯汀·r·莫拉多,安德烈·皮科,帕特里克·c·霍夫曼,伊丽莎白·a·米勒,斯特凡诺·凡尼,旺达·库库尔斯基

预印本发布于2022年4月12日https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.04.12.488000v1

眼见为实:看到细胞膜接触位点在它的原生环境中被栓住,对它的功能提供了令人惊讶的新见解

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背景

- - - - - -itochondriaencounter年代结构(ERMES)是酵母内质网(ER)与线粒体之间的一种蛋白质复合物。它位于er线粒体embranecontact年代ERMES有四个亚基:Mmm1、Mdm12、Mdm34和Mdm10,大小从31到56 kDa不等(2)。Mmm1、Mdm12和Mdm34各自拥有一个保守的突触增粘蛋白样线粒体脂质结合(SMP)结构域,这是酵母和哺乳动物中几种脂质转运蛋白(LTPs)的特征(3,4)。然而,在ERMES被发现十三年之后,ERMES运输脂质的机制仍然没有被阐明。提出了两种可能的机制(4)。其中一种称为穿梭模型,ERMES将脂质结合在一个细胞器中,移动到第二个细胞器,并将结合的脂质输送出去。或者,ERMES可以形成一个稳定的“桥梁”,允许脂质在ER和线粒体之间流动。

Wozny等人利用相关光和低温显微镜(cryo-CLEM)和亚断层扫描平均(STA),在这张预印本中显示ERMES形成了连接ER和线粒体的桥状结构。虽然这似乎支持了ERMES形成脂质通道的观点,但结构预测表明,通道的收缩使其过于狭窄,以致脂质无法流动。因此,原位ERMES的结构并没有解决ERMES如何促进脂质运输的问题,但为未来的研究提出了重要的新问题。

预印本的主要发现

  • ERMES形成一个桥状结构,并聚集在MCS内

作者使用相关光和低温显微镜(cryo-CLEM)观察ERMES原位.表达Mdm34-mNeonGreen的酵母细胞被冷冻,并接受低温聚焦离子束(FIB)研磨(5),这将冷冻的酵母细胞切割成称为薄片的薄片,大约100纳米厚。这减少了散射,从而提高了EM分辨率。Mdm34- mNeonGreen荧光用于识别片层中含有ERMES斑点的区域,然后使用低温透射电子断层扫描(cryo-ET)对其成像。

利用低温clem技术,他们观察到横跨ER和MCS线粒体膜之间的桥状结构,大约24.4纳米长。在单个MCS上平均发现约24个ERMES复合体。

值得注意的是,在每个MCS内,ERMES复合体分布不均匀。它们以簇的形式出现,每个ERMES桥之间的距离约为15纳米。对不同膜拓扑er -线粒体MCS获得的多个MCS层析图进行平均,桥的数量与被MCS包围的膜的面积相关,约为12 / 1000nm2。这种组织可能指向MCS内ERMES结构的预期空间调节。

图1ERMES复合体横跨,连接ER和线粒体外膜(改编自图2)
  • ERMES子单元组织成之字形结构

通过使用STA生成桥结构的3D平均,他们建立了位于ER和线粒体之间的ERMES复合体的胞质部分模型。该模型显示了一种三段呈锯齿形排列的结构,连接着两个细胞器的膜。利用已知的结构和蛋白质-蛋白质相互作用信息(6,7),将三维模型的片段识别为Mmm1-Mdm12-Mdm34。结构研究表明Mmm1可以二聚在体外(6、8)。为了验证这一点,测量了MCS层析图中相邻复合体中Mmm1、Mdm12和Mdm34之间的距离。令人惊讶的是,未见二聚原位这表明每个ERMES都是作为一个独立的结构排列的,可能充当脂质导管。

使用基于alphafold的工具FoldDock (FD)(9)来预测复合体中每个相邻蛋白质的成对对接,显示Mmm1、Mdm12和Mdm34的SMP结构域以尾到头的方式堆叠在彼此的顶部。原子模拟显示在Mdm10附近的细胞质传单上有疏水不匹配。Mdm34像之前提到的那样停靠在Mdm10上(7),它的疏水腔悬浮在线粒体外膜(OMM)上。综上所述,这些特征表明Mdm10可能会破坏OMM细胞质小叶中的脂质的稳定,然后这些脂质可能会被Mdm34腔吸收。

  • ERMES亚基的排列限制脂质运输

大型LTP,如VPS13 LTP家族的成员,沿着蛋白质的长度包含一个长而连续的中心疏水腔,可以容纳脂质(10)。ERMES的整体结构确实表明它可能是一个长导管。

然而,从模型中得到的每个停靠在复合物中的亚基的疏水腔半径计算表明,Mmm1-Mdm12和Mdm12-Mdm34界面太窄,不允许脂质通过。尽管其导管状结构,但任何脂质运输都可能受到这些界面瓶颈的限制。

图2:复合物中脂质运输的瓶颈(改编自图4)

为什么我选择这个预印本

体外结构测定一直是可视化结构细节,预测蛋白质-蛋白质相互作用和假设蛋白质功能的主要方法。最近显微镜技术的进步使我们能够在蛋白质的原生环境中直接看到它们的结构。这篇论文完美地展示了相同的蛋白质结构原位能和它有很大的不同吗在体外同行。

对作者的提问

  1. 虽然ERMES复合物看起来像一个导管,它是限制脂质运输。除了穿梭管模型,ERMES还能通过其他机制运输脂质吗?或者,是否有可能复合物仅仅是细胞中的一个栓系而不具有LTP的功能?

  1. 自ERMES大桥观察以来原位可能处于稳定状态,这是否表明脂质运输存在特定的活性或非活性构象?

  1. Mdm12是复合体的中心蛋白,在这个亚基的两端都有“瓶颈”。Mdm12内的构象变化能否缓解瓶颈,促进脂质运输?由于它的丰度比其他亚基略低,Mdm12丰度是否意味着这个亚基可能调节ERMES复合体的形成,甚至可能调节MCS的形成?

  1. 为什么ERMES复合体会在er线粒体MCS上形成局部斑点?什么可以驱动ERMES集群?除了栓系之外,集群是否与功能相关?

参考文献

  1. Reinisch KM, Prinz WA。非泡性脂质运输机制。220 J细胞2021;(3)
  2. Kornmann B, Currie E, Collins SR, Schuldiner M, Nunnari J, Weissman JS, Walter P.合成生物学屏幕显示的er线粒体系结复合体。科学。2009;325(5939):477 - 81。
  3. Toulmay A, Prinz WA。一个保守的膜结合结构域将蛋白质靶向到细胞器接触位点。细胞科学,2012;125(Pt 1):49-58。
  4. 张建军,张军,王晓燕,王晓燕,王晓燕,周志华。ERMES配合物与磷脂结合的保守SMP结构域的研究进展[J] .中国生物医学工程学报,2015;29(5):359 - 359。
  5. Wagner FR, Watanabe R, Schampers R, Singh D, Persoon H, Schaffer M, Fruhstorfer P, Plitzko J, Villa E.利用聚焦离子束磨粒技术制备全细胞样本用于低温电子断层扫描。Nat Protoc。2020;15(6):2041 - 70。
  6. 郑浩,Park J, Jun Y, Lee c。Mmm1和Mdm12-Mmm1的晶体结构揭示了er -线粒体接触位点磷脂运输的机制。中国生物医学工程学报,2017;38(5):369 - 369。
  7. Ellenrieder L, Opalinski L, Becker L, Kruger V, Mirus O, Straub SP, Ebell K, Flinner N, Stiller SB, Guiard B, Meisinger C, Wiedemann N, Schleiff E, Wagner R, Pfanner N, Becker T. Mdm10选择性偶联分离线粒体蛋白组装和内质网束系。Nat Commun。2016;7:13021。
  8. 郑浩,Park J, Lee c。Mdm12的晶体结构揭示了ERMES复合体的结构和动态组织。EMBO众议员2016;17(12):1857 - 71。
  9. Bryant P, Pozzati G, Elofsson A.使用AlphaFold2改进蛋白质-蛋白质相互作用预测。自然Commun。2022;13(1):1265。
  10. 李鹏,李斯贾,Lusk CP, Reinisch KM。低温电子显微镜重建的VPS13片段显示了一个长槽,通道脂质在膜之间。中国细胞生物学杂志,2020;219(5)。

标签:联系网站细胞器磷脂酵母

发布日期:2022年5月22日

doi:https://doi.org/10.1242/prelights.32075

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