冷冻电镜揭示丰年虾线粒体 ATP 合酶结构，或为线粒体通透性转换孔失活机制提供新解

《Cell Death & Differentiation》：Cryo-EM structure of the brine shrimp mitochondrial ATP synthase suggests an inactivation mechanism for the ATP synthase leak channel

为探究线粒体通透性转换孔（mPTP）抑制机制，研究人员分析丰年虾 ATP 合酶，发现其泄漏通道失活机制。

　　在细胞的能量工厂 —— 线粒体中，存在着一个神秘的 “大门”—— 线粒体通透性转换孔（mPTP）。当这个 “大门” 异常开启时，会引发一系列 “混乱”，导致线粒体肿胀、破裂，细胞走向死亡。在许多疾病，如心脏和大脑的缺血 / 再灌注损伤、阿尔茨海默病、帕金森病中，mPTP 都扮演着 “捣乱分子” 的角色。然而，经过多年研究，mPTP 的精确分子组成和结构仍然是个未解之谜。更有趣的是，哺乳动物的线粒体在钙离子（Ca²⁺）的刺激下，mPTP 容易开启，而丰年虾的线粒体却能在积累大量 Ca²⁺的情况下，不发生 mPTP 相关的变化，这背后的原因是什么呢？

为了解开这些谜团，来自美国宾夕法尼亚州立大学医学院等机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于丰年虾的 ATP 合酶，通过一系列实验，试图揭开其线粒体抵抗 mPTP 的秘密。相关研究成果发表在《Cell Death & Differentiation》杂志上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在样本处理方面，分别从丰年虾、HEK293 细胞和猪心脏中分离线粒体；运用冷冻电镜技术，对丰年虾 ATP 合酶的结构进行高分辨率解析；利用平面脂质双层记录技术，研究 ATP 合酶的通道活性。

研究结果如下：

• 线粒体特性：研究发现，丰年虾的线粒体在 Ca²⁺处理后，不会出现肿胀等 mPTP 激活的迹象，且对环孢菌素 A（CsA）不敏感。而 HEK293 细胞的线粒体在 Ca²⁺刺激下，mPTP 会开启，CsA 处理能延迟这一过程。
• ATP 合酶通道特性：在对丰年虾 ATP 合酶进行纯化和分析后，研究人员发现，其形成的通道主要处于关闭、非活性状态，对 Ca²⁺不敏感。与之形成鲜明对比的是，猪心脏 ATP 合酶形成的通道具有电压依赖性，在 Ca²⁺存在时，通道开放时间延长，频率增加。
• ATP 合酶结构特征：通过单颗粒冷冻电镜分析，研究人员确定了丰年虾 ATP 合酶的完整结构。它由可溶性的 F₁和膜嵌入的 F_O两个分子结构域组成，亚基组成与哺乳动物的 ATP 合酶相似，但也存在显著差异。例如，丰年虾 ATP 合酶所有 α 亚基的 N 端 α 螺旋段密度更强，与寡霉素敏感性赋予蛋白（OSCP）的相互作用增强；F_O e 亚基的 C 端区域密度更强，且与 c 环的相互作用更紧密。
• e 亚基对通道活性的影响：研究人员还发现，丰年虾 e 亚基的 C 端肽能够抑制人 c 亚基通道的活性。这表明，e 亚基可能作为 ATP 合酶 c 亚基泄漏通道（ACLC）的第二个 “大门”，在膜间隙发挥作用，阻止通道激活。

在讨论部分，研究人员指出，虽然 mPTP 的分子身份、组成和结构仍存在争议，但近期研究表明线粒体 ATP 合酶可能是 mPTP 的结构孔形成单位。在哺乳动物中，Ca²⁺和亲环蛋白 D（CypD）可以激活 ATP 合酶泄漏通道，导致 mPTP 开放，细胞死亡。而丰年虾 ATP 合酶具有独特的结构特征，其 α 亚基与外周柄亚基之间的相互作用增强，可能阻止了信号从 F₁传递到 F_O，从而抑制了通道激活。此外，丰年虾 OSCP 亚基的氨基酸序列与哺乳动物不同，可能干扰了 CypD 的结合，使其对 CsA 不敏感。

总的来说，这项研究揭示了丰年虾 ATP 合酶的结构和功能特征，为理解 mPTP 的抑制机制提供了新的视角。不同物种中 ATP 合酶 e 亚基的结构差异，可能在调节 ATP 合酶泄漏通道活性和 mPTP 的生理病理功能中发挥重要作用。这不仅有助于深入了解细胞死亡的调控机制，也为开发治疗相关疾病的新策略提供了潜在的靶点和理论依据，让我们在探索细胞奥秘的道路上又前进了一步。