在一项新的研究中，英国钻石光源电子生物成像中心的研究人员首次使用低温电子显微镜来揭示能量制造者在人体形成过程中的工作方式。这些研究人员来自瑞典斯德哥尔摩大学、卡罗林斯卡学院、国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所、迈阿密大学、芬兰赫尔辛基大学和英国纽卡斯尔大学。
这项研究的结果发表在2021年2月19日的《科学》杂志上，标题是“膜系线粒体蛋白质合成的机制”。
本文报道了人类线粒体膜系蛋白合成的分子机制。
这是对人类线粒体核糖体(mitoribosome)如何工作的一个基本的新认识，并可以解释线粒体如何受到突变和功能障碍的影响，从而导致疾病，如耳聋和包括癌症在内的疾病。
线粒体是细胞内的细胞器，在我们的身体中扮演着微小但强大的能量工厂的角色。它们利用我们吸入的氧气和我们吃的食物的衍生物产生超过90%的能量，从而有效地支持我们的生活。
线粒体在需要高能量的器官，如心脏、肝脏、肌肉和大脑中尤为重要。例如，每个心肌细胞近40%是由线粒体组成的。
线粒体中的大部分能量产生发生在自然进化的纳米工厂中，这些纳米工厂集成在专门的膜中。
这些纳米工厂由蛋白质组成，协同运输离子和电子来产生我们身体的化学能货币(ATp)。在细胞分裂过程中，线粒体必须不断地被维护、替换和复制。
为了解决这个问题，线粒体有自己的蛋白质制造机制，即线粒体核糖体。2014年，人们第一次基本了解了线粒体核糖体的样子。
该论文的共同通讯作者、斯德哥尔摩大学生命科学实验室分子相互作用生物学项目负责人Alexey Amunts说:
“七年前，我们对酵母线粒体核糖体的研究被称为分辨率革命。这项新研究代表着在先前的突破基础上又向前迈进了一步。它不仅以前所未有的细节揭示了人类线粒体核糖体是如何形成的，也解释了分子机制，驱动的过程，燃料的生物能量。”
“分辨率革命”一词是在《科学》杂志首次成功测定线粒体核糖体结构后产生的。
这代表了一种方法上的创新，应用低温电子显微镜来理解分子结构。然而，对这个结构的初步了解只揭示了静态模型的一部分。
然而，线粒体核糖体是一个灵活的分子机器，需要其部分的相对运动来发挥作用。
因此，在新的研究中，研究人员使用钻石光源电子生物成像中心的低温电子显微镜数据采集来获得30倍以上的数据，使他们能够描述蛋白质合成和与膜适配器蛋白结合的过程。构象变化。
Amunts补充说，“我们的研究阐明了这一动态的分子机制，解释了线粒体核糖体实际上如何功能形成细胞能量工厂，并揭示了线粒体核糖体比以前认为的更灵活和活跃。内在构象变化的发现代表了门控机制的线粒体核糖体，在细菌和细胞质系统中没有相似之处。总之，这些数据提供了蛋白质如何在人类线粒体中合成的分子方面的见解。”
钻石光源电子生物成像中心的首席电子显微镜科学家Yuriy Chaban评论道:“在金刚石光源，我们正在推动物理和生命科学测量的极限，感谢我们的团队，我们现在可以常规地进行测量。Alexey的工作中最重要的方面是人类线粒体核糖体和OXA1L蛋白之间的相互作用和相关的灵活性。人类线粒体核糖体具有柔韧性这一事实并不新奇，但与OXA1L相互作用相关的特异性是新奇的。这对膜蛋白(包括呼吸链蛋白)的合成很重要。总的来说，这项研究大大拓宽了我们对线粒体核糖体功能的理解。这项在Amunts实验室进行的研究解决了另一个关于创造生命所必需的基本生物过程的谜题。”
40年前人类线粒体基因组测序是线粒体研究的一个转折点，它假设了线粒体跨膜蛋白合成的特定机制。
事实上，这一发现的人类线粒体核糖体门控机制是一个独特的现象。因此，这些结构数据为我们了解生物能量蛋白在体内是如何合成的提供了一个基本的认识。
来源：
1.Yuzuru Itoh et al. Mechanism of membrane-tethered mitochondrial protein synthesis. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe0763.
2.Mitochondria: New data sheds light on genesis of our body’s powerhouses. https://phys .org/news/2021-02-mitochondria-genesis-body-powerhouses.html