线粒体（注1）产生细胞内生命活动所需的能量。因此，在人类中，正常的线粒体功能与身体健康有关，而线粒体功能的下降则与衰老和各种病理状况有关。为了维持线粒体的正常功能，需要超过 1000 种具有不同特性和功能的蛋白质。这些不同的蛋白质前体蛋白（注2）通过膜从细胞质（外部）传递到线粒体（注3）我需要它。
线粒体的蛋白质输入端口是多种蛋白质的组合。TOM 复合体（注4）这次，这个研究小组TOM复合体的精确结构使用冷冻电子显微镜的单颗粒分析方法（注5）确定（分辨率 38 Å）。 TOM复合物的整体结构是由两个亚基组成的二聚体，具有圆柱形结构，作为蛋白质的通道（膜渗透通道）。汤姆40（注6）Tom222分子和一种脂质分子被插入到它们之间的界面中。另一方面，Tom40的N端从细胞质（外侧）侧渗透到Tom40的圆柱体内部至膜间（内侧）侧，并且Tom5将该N端锚定在膜间侧。在各种前体蛋白中，预阵列（注7）在 Tom40 之间的界面一侧有一个出口，而没有前序的那些在 Tom40 二聚体的外侧有一个出口。这样，我们发现，通过在蛋白质膜渗透通道中为有前序和无前序的前体蛋白准备单独的通道和出口，并将前体蛋白传递到在出口处等待的各运输途径的下游因子，我们能够有效地渗透1000种不同性质和功能的前体蛋白的外膜。
阐明蛋白质导入线粒体的机制有望开启开发与蛋白质递送至线粒体相关的疾病的治疗方法的可能性，并通过控制蛋白质递送至线粒体的效率来预防衰老。
这项研究是日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究资助金、日本科学技术振兴机构 (JST) 战略性创意研究促进小组研究 (CREST) 以及日本医学研究开发机构 (AMED) 药物发现先进技术支持平台 (BINDS) 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。这些蛋白质大多数作为前体在线粒体外（即细胞质中）合成，然后转运到线粒体中。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。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，进一步向内移动的前体被分选并运输到膜间区域、内膜和内部基质（图1）。 TOM复合物是一种外膜易位蛋白，由目的信号受体Tom20和Tom22和Tom40等蛋白质组成，充当膜渗透的通道，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。到目前为止，TOM复合物的精确高分辨率结构尚未确定，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将前体蛋白穿过外膜等问题仍未解决。
 |
图 1 线粒体和 TOM 复合物的蛋白质递送途径
1000 多种蛋白质向线粒体的输送途径（黑色箭头）。大多数在胞质溶胶中合成的线粒体前体蛋白通过输入 TOM 复合物穿过外膜，并被分选到其目标区室。 TOM 复合体由通道蛋白 Tom40 组成，为受体和前体蛋白提供通路。线粒体外膜上的TOM复合物的主要分子种类被认为是三聚体，但当用电子显微镜观察时，它似乎倾向于变成稳定的二聚体。 |
(1) 通过冷冻电子显微镜 (Cryo-EM) 精确测定 TOM 复合物的结构
该研究小组从酵母细胞中纯化了 TOM 复合物（一种由五个亚基组成的膜蛋白复合物：Tom40、Tom22、Tom5、Tom6 和 Tom7），并使用东京大学的冷冻电子显微镜以 38 Å 的分辨率确定了其结构（图 2）。整体结构是由两个亚基组成的二聚体，两分子Tom22和一分子脂质插入到圆柱形Tom40分子之间的界面上，作为蛋白质的通道（膜渗透通道）。因此，Tom40 的通道彼此高度倾斜（30°），导致外膜局部严重扭曲。另一方面，Tom40多肽链的N端部分不参与圆柱形通道结构的形成，而是从外侧（细胞质）侧向内侧（膜间区域）侧穿透Tom40通道的孔，Tom5锚定了向膜间侧伸出的N端部分。
 |
图2 使用冷冻电子显微镜测定的TOM复合物的结构
上排是决策结构的结构密度图。下半部分以带状模型显示结构，以便于查看。 |
(2)发现蛋白质有两个出口
通过 TOM 复合体的前体被移交给下一个因子并运输到最终目的地。那些在 N 端具有“前序列”作为线粒体信号的蛋白（70% 的线粒体蛋白具有前序列）被移交给内膜中称为 TIM23 复合体的易位器，并通过内膜转运至基质（图 1 中的途径 ①）。这次，我们发现TIM23复合物的亚基Tim50与TOM复合物亚基Tom40的C端侧以及Tom22的膜间结构域相互作用。这些结构域位于二聚体内部，靠近两个 Tom40 之间的界面，含有 Tim50 的 TIM23 复合物在 TOM 复合物的二聚体内部等待带有前序列的前体通过（图 3）。
另一方面，在各种前体蛋白中，不具有前序列的可溶性膜间蛋白（去往线粒体的信号不以前序列的形式写入）从 TOM 复合物传递到称为 Mia40 的蛋白质的膜间结构域（图 1 中的途径 ④）。这次，我们发现 Mia40 穿透 Tom40 通道并与从膜间区域出现的 Tom40 的 N 端侧相互作用。该 N 末端部分由 Tom5 定位在二聚体的外部。换句话说，发现膜间区域的可溶性蛋白通过Tom40通道并被递送至Tim40的出口位于TOM复合物的二聚体之外。还证实，当Tom40的N末端或Tom5或Tom40通道内定位Tom40的氨基酸残基引入点突变或缺失突变时，膜间区可溶性蛋白通过TOM复合物及后续步骤的通道出现缺陷（图3）。我们之前发现 Tom40 的 N 末端与称为小 TIM 的膜间伴侣相互作用。小 TIM 是一种在膜间区域转运除可溶性蛋白以外的无前序蛋白的因子。因此，所有不具有前序列的蛋白质都利用 TOM 复合物二聚体的外部出口。
由此揭示，通过在蛋白质的膜渗透通道中为有前序和无前序的前体蛋白准备单独的通道和出口，并将前体蛋白分别递送至在出口处等待的各运输途径的下游因子，外膜可以有效地渗透1000种不同性质和功能的前体蛋白。
 |
图3 TOM综合体的两个出口
从外部和内部看，显示了一个二聚体。可以看到有两个出口。 |
本研究中分析的酵母 TOM 复合物被认为具有与人类细胞中相同机制的膜渗透装置的功能。此外，本研究揭示的Tom40的两个出口在人类细胞中也存在。换句话说，本研究揭示的蛋白质输入门户复合物进入线粒体的机制与对人类等高等生物中类似机制的理解直接相关，并且有望有助于阐明与线粒体蛋白质的输入有关的帕金森病等神经退行性疾病和等待治疗开发的疑难杂症线粒体疾病的病因机制。未来，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，预计将导致尚未开发的线粒体疾病治疗方法的开发和预防衰老。
京都产业大学、东京大学、弗莱堡大学、米乐m6官方网站、宫崎大学、莫纳什大学和金泽大学的研究小组合作研究[返回来源]
``线粒体输入门的结构揭示了不同的前蛋白路径''
（线粒体蛋白导入端口的结构揭示了多种前体蛋白途径）
新井佑平1，坂上遥，Yoshi Yuzuki，Junko Suzuki，Shin Kono，Toshiya Endo2（京都产业大学）
Akihisa Kano、Masahide Yoshikawa（东京大学）
Kenichiro Imai（米乐m6官方网站）
Takuya Shiota（宫崎大学、澳大利亚莫纳什大学）
Trevor Lithgow（澳大利亚莫纳什大学）
Jian Qiu、Jiyao Song、Caroline Lindau、Lena-Sophie Wenz、Marilena Wischnewski、Conny Schütze、Thomas Becker、Nils Wiedemann、Nikolaus Pfanner（德国弗莱堡大学）
Hirotaka Ariyama、Toshio Ando（金泽大学）
（1第一作者，2通讯作者）（研究时）