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NSMB丨解析真核生物线粒体镁离子通道膜蛋白Mrs2的关闭和开放的三维结构

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-02 08:48

正文

镁离子（Magnesium）是生物细胞中含量最高的二价阳离子，是细胞生理活动中必需的辅助因子。例如，镁离子参与ATP的合成，与ATP形成复合物为细胞提供能量，参与细胞内的酶促反应，以及维持基因组的稳定。然而细胞转运镁离子的调控机制，特别是真核细胞线粒体中镁离子的转运以及如何维持平衡，目前的研究还不是很清楚。

2024年11月28日，来自Lund University医学院李平和Pontus Gourdon团队与四川大学卢克锋教授团队合作在Nature Structure & Molecular Biology 杂志上发表了文章 Closed and open structures of the eukaryotic magnesium channel Mrs2 reveal the auto-ligand-gating regulation mechanism，他们通过冷冻电镜解析了真核生物线粒体镁离子通道膜蛋白Mrs2的关闭和开放的三维结构。通过在细胞水平，以及体外的生物化学功能的研究，揭示了镁离子通道Mrs2是通过镁离子自身浓度水平来调控该通道蛋白的开放以及关闭。总之，这项工作首揭示了细胞内线粒体是如何调控镁离子的平衡来维持正常的功能运转。

该团队首先筛选了一种嗜热真菌的Mrs2基因进行蛋白表达纯化。为了获得不同构象的三维结构，该团队对蛋白样品进行了不同的纯化分离，并且将去污剂提纯的蛋白重组到Nanodiscs，用来模拟生物脂膜环境来维持蛋白的天然构象。通过利用冷冻电镜的方法，该团队首先解析了在镁离子存在条件下Mrs2的三维结构。获得的Mrs2是由五个单体形成的一个五聚体的通道蛋白，该蛋白包含了位于线粒体膜间隙的环状结构区，位于线粒体内膜的跨膜区，以及位于线粒体基质的调控结构域。通过对结构的分析发现，该状态处于一种关闭的构象，位于通道内的疏水性甲硫氨酸 (Met) 以及碱性精氨酸 (Arg) 形成了控制镁离子转运的开关 (gate)。其中镁离子结合在由酸性氨基酸形成的位于线粒体膜间隙的入口处，Mrs2蛋白特有的底物筛选区 (GMN motif)，以及处于线粒体内膜的蛋白通道中。同时还发现了位于线粒体基质结构域中俩个不同区域的镁离子结合位点 (M1/2 and M3/4)，并且每个结合位点都结合了俩个镁离子，其中位于结构域底端位点 (M1/2) 处的酸性氨基酸非常保守。

为了进一步理解Mrs2蛋白是如何转运镁离子进入线粒体内的，该团队同时还解析了在没有镁离子存在的条件下Mrs2的三维结构。该条件下，Mrs2依然处于五聚体的状态。通过对该结构的分析发现，跨膜区以及线粒体膜间隙区的构象与Mrs2关闭结构的相应区域的构象完全一致，同样也有镁离子结合在蛋白通道内。但是控制镁离子进入线粒体内的氨基酸 (Met-Arg) 构象向外扩张了，使得该区域的直径变大从而允许镁离子通过。同时，结合在线粒体基质Mrs2调控结构域的镁离子也不存了，并且每个单体的调控结构域发生了向外扩张的构象变化，由俩个精氨酸取代了原来镁离子 (M1/2) 并于直接结合镁离子的酸性氨基酸形成了相互作用，从而维持Mrs2的一个五重对称的构象。因此改团队认为这次解析的Mrs2构象处于开放状态。

该团队通过对Mrs2关闭以及开放结构对比分析，提出了Mrs2是一种通过镁离子自身调控构象变化来转运镁离子的机制。为了验证该假说，该团队进行了一些列的突变实验并且进行了在酵母互补平板生长实验 (Yeast complementation assay)，大肠杆菌镍离子敏感实验 (Ni²⁺ sensitivity assay)，利用非洲爪蟾卵母细胞来测量镁离子转运实验 (Xenopus laevis oocyte experiments) ，以及利用纯化分离的蛋白进行酶解实验 (Limited proteolysis assay) 和等温滴定量热法 (ITC) 实验。从而验证了位于Mrs2调控结构域底端的镁离子结合位点 (M1/2) 扮演者主要的调控作用，另外的镁离子结合位点 (M3/4) 起着辅组调控作用。并且只有镁离子达到一定浓度的时候才会结合到调控位点 (M1/2 and M3/4) 从而诱导Mrs2处于关闭的构象。

综上所述，这项工作不仅解析了真核生物体内镁离子转运蛋白Mrs2的闭合和开放构象，并且验证了Mrs2通道蛋白是通过镁离子自身浓度来调控其转运的机制。该成果为接下来对该家族蛋白的转运机制研究提供了科学实验依据，并且为后续小分子抑制剂以及药物开发提供了一定的科学基础。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-024-01432-1

制版人：十一

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