线粒体在细胞内产生生命活动所需的能量，在人体中，其正常功能与人体健康息息相关。已知线粒体功能下降与衰老和各种病理状况有关。为了维持线粒体的正常功能，从线粒体外部（细胞质）到线粒体内部，有超过1000种物质组成线粒体。输送蛋白你必须。线粒体的蛋白质输入端口是多种蛋白质的组合。TOM 复合体这次，研究小组研究了Tom40和其他蛋白质，它们充当TOM复合物中蛋白质的通路，以及通过TOM复合物的蛋白质。前体蛋白的精确交互图该相互作用图显示，前体蛋白通过 Tom40 创建的圆柱形（β-桶）孔，该孔内有多个路径，这些路径根据通过的蛋白质的性质而定制，并且 Tom40 孔的出口接收已通过的前体蛋白。伴侣蛋白。此外，TOM复合物有两种状态：由Tom40（功能复合物）组成的具有三个孔的完整形式和由两个Tom40分子（用于掺入Tom40的复合物）组成的两个孔的准备形式，通过在这些状态之间切换，可以发现新的Tom40可以不断地掺入TOM复合物中，并且可以维持正常功能。阐明蛋白质输入线粒体的机制有望开辟开发与蛋白质递送至线粒体相关的疾病的治疗方法以及通过控制蛋白质递送至线粒体的效率来预防衰老的可能性。
这项研究是日本科学技术振兴机构（JST）战略创意研究推进项目团队研究（CREST）的“结构生命科学和旨在生命科学创新的先进基础技术（研究主管：田中敬二（东京都医学科学研究所所长）”研究领域“阐明以线粒体为中心的结构功能网络”研究项目的一部分。
人类和酵母等真核细胞具有被膜分隔的细胞内细胞器，包括线粒体。线粒体负责在细胞内产生能量，这对生命活动至关重要，对细胞和人类健康都发挥着重要作用。线粒体被外膜和内膜两层生物膜包围，由 1000 多种蛋白质组成。这些蛋白质大多数在线粒体外（即细胞质中）作为前体合成，然后导入线粒体中（图 1）。线粒体蛋白前体被正确地导入线粒体中，因为前体中写入了目的地或“目的地信号”。前体的地址由线粒体外膜上的受体读取，并利用易位器（膜渗透装置）提供的通道，有效地穿过不允许蛋白质等大分子在没有通道的情况下通过的外膜，并被摄入线粒体中。进一步向内前进的前体被分选并通过内膜上的其他易位蛋白以及外膜和内膜之间的伴侣蛋白（膜间区域）的作用被运输到膜间区域、内膜和内部基质。 TOM复合物是外膜的易位蛋白，由Tom40等蛋白质组成，充当目的地信号的受体和膜渗透的途径，并作为高度通用的导入端口，将几乎所有线粒体蛋白质导入线粒体中。然而，TOM复合物的精确高分辨率结构尚未确定，并且诸如每种蛋白质如何组装形成复合物以及每种蛋白质如何有效地使前体蛋白渗透外膜等问题仍未得到解决。
这次，来自米乐m6官方网站和斯德哥尔摩大学的研究小组首次预测了Tom40的结构。这些预测是通过基于氨基酸序列相似性的结构建模做出的，使用线粒体外膜中具有相似结构的蛋白质的精确结构作为模板。预测的结构与之前的生化结果非常一致。接下来，基于经过验证的模型结构，我们将可光交联的非天然氨基酸苯甲酰基苯丙氨酸（BPA）一次一个地引入到酵母细胞中Tom40的100多个位点中，以研究Tom40与其他蛋白质之间的相互作用。当酵母细胞提取物或分离的线粒体受到紫外线照射时，BPA 通过光化学反应与附近的蛋白质交联。通过使用抗体识别这种交联伙伴，我们可以在氨基酸残基水平（10 Å（Å 为 10-10m) 的空间分辨率来绘制地图（创建交互图）（图 2）。
关于 TOM 复合体功能的一个主要争议是前体蛋白途径的身份。问题在于，渗透膜的前体蛋白是通过Tom40的“圆柱形β-桶结构的孔”，还是通过多个Tom40 β-桶结构聚集产生的“分子间间隙”。这次，我们在停止前体蛋白的外膜渗透反应后研究了引入 Tom40 的 BPA 的交联，发现只有当 BPA 的反应位点面向 β 桶结构内部时，才会发生与前体蛋白的交联。这首次证明前体蛋白通过β-桶结构的孔渗透外膜。此外，通过改变前体蛋白的类型，我们研究了前体与Tom40孔内部的哪一部分接触，发现带有正电荷线粒体结合信号的前体穿过孔，同时与Tom40孔内部的带负电荷的部分接触，而整体高度疏水的前体则穿过孔，同时与Tom40孔内部的高疏水部分接触（图3）。这表明Tom40创建的孔在孔内具有根据前体蛋白的特性定制的多条路径，以有效地通过1000种各种前体蛋白。
虽然Tom40的多肽链N端部分不参与β-桶结构的形成，但令人惊讶地发现它从外侧（胞质）侧向内侧（膜间区）侧穿透β-桶结构的孔，并与膜间区的伴侣蛋白相互作用（图4）。研究表明，Tom40 的 N 末端部分通过在膜间侧（即 β 桶结构的出口）收集伴侣分子，有效地将通过孔排出到膜间区域的蛋白质递送至伴侣分子。
我们还发现，在TOM复合物中，三个Tom40分子聚集在一起，形成具有三个孔的三聚体复合物，而此时，另一个亚基Tom22起到了将Tom40粘合在一起的胶水的作用。我们发现，当Tom22从胶水上脱落时，这个三聚体复合物被部分破坏，而Tom40则可逆地转变成由两个分子组成的双孔二聚体复合物，即Tom40在二聚体和三聚体复合物之间来回移动（图5）。三聚复合物是一种完整的形式（功能复合物），其中充当蛋白质渗透端口的Tom40、充当胶水的Tom22和受体亚基全部聚集在一起，以允许前体蛋白质穿过外膜。另一方面，二聚复合物是一种预备形式（Tom40掺入复合物），它充当将已进入线粒体的新Tom40掺入三聚复合物中的支架。首次具体证明膜蛋白复合物通过改变其结构和组成因素来维持完整功能的复合物，即使在完成后也允许新的亚基取代旧的亚基。
本研究中分析的酵母 TOM 复合物被认为具有膜渗透装置的功能，其机制与人类细胞中的机制相同。此外，发现本研究揭示的Tom40孔内制备的各种前体蛋白的定制途径也存在于人类细胞的Tom40中。换句话说，本研究揭示的线粒体蛋白输入复合物的工作机制与对人类等高等生物中类似机制的理解直接相关，并有望有助于阐明与线粒体蛋白输入相关的帕金森病等神经退行性疾病和等待治疗开发的疑难病症线粒体疾病的病因机制。未来，预计通过控制线粒体蛋白质摄取效率来控制线粒体和细胞功能将有助于开发尚未开发的线粒体疾病治疗方法和预防衰老方法。