科学家揭示线粒体钙离子单向转运蛋白MCU的结构机制
5月3日，国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所国家蛋白质科学中心（上海）周界文研究组及哈佛医学院Vamsi Mootha 研究团队的研究论文“Architecture of the Mitochondrial Calcium Uniporter”。该研究采用核磁技术结合电镜技术首次揭示了线粒体钙离子单向转运蛋白MCU（Mitochondrial Calcium Uniporter）跨膜核心区域的三维结构，是迄今为止使用核磁共振技术解析出的最大的离子通道结构。研究表明，MCU形成的是同源五聚体，与以往报道的其他钙离子通道的结构截然不同，对钙离子的选择机制和转运机制具有其独特性。
钙离子参与一切生命活动过程，是生命体不可缺少的离子。MCU是线粒体摄入钙离子的重要分子机器，对线粒体的能量代谢和维持细胞生存起着关键作用。早在50多年前科学家就发现了线粒体对钙离子的吸收作用，但直到2011年介导钙离子进入线粒体的单向转运体才被美国Mootha实验室和意大利的Rizzuto实验室正式发现。令人惊讶的是，线粒体吸收钙离子不是简单地由单个蛋白转运，需要由多个蛋白质形成的复合体完成。跨膜MCU是这个蛋白质复合体的中心，位于线粒体内膜，其它调控蛋白包括MICU1、MICU2、MCUb、 EMRE。因此，MCU转运钙离子是一个高度复杂并受到严格控制的过程。如何在分子水平上揭示MCU的结构基础，阐明MCU转运钙离子的本质，将对线粒体内稳态的理解和线粒体相关疾病的治疗具有重要意义，并将拓展对离子通道的认识和理解。
MCU作为近年来科学界的重要发现，国内外顶尖科研团队纷纷开展了对其分子基础的研究，而MCU体系的复杂性为这一问题的解决带来了巨大的挑战。在国家蛋白质科学中心（上海）研究员周界文和丛尧的共同指导下，博士研究生董颖利用国家蛋白质科学研究（上海）设施（简称“上海设施”）电镜分析系统，通过负染电镜的方法获得了MCU蛋白的整体形貌，发现MCU形成了一个“花瓶形”的同源五聚体，然而MCU精确的结构信息仍然缺乏。为了攻克这样一个整体分子量达到90 kDa以上、非常有挑战性的蛋白质，周界文继续带领其团队研发了一整套高效的膜蛋白核磁技术，充分利用了上海设施的高场核磁谱仪，解析了MCU高分辨率的核磁结构，清楚地揭示了MCU中钙离子特异性选择的通道入口。哈佛医学院的Vamsi Mootha团队进一步用功能实验验证了结构中观察到的重要位点对MCU的钙离子转运非常关键。此外，国家蛋白质科学中心（上海）研究员欧阳波在蛋白样品的制备和数据分析上提供了很大的帮助，核磁系统的高级工程师刘志军协助采集了一系列高质量的核磁图谱，电镜系统的高级工程师孔亮亮悉心指导了电镜仪器和软件的使用，使得该研究得以顺利完成。
上海设施自2014年5月开放至今，核磁和电镜分析系统累计服务用户课题超过210个，为多项国家科技战略先导专项、“973”和“863”项目等提供科研保障和技术支撑。截至2016年4月，上海设施用户已经在Nature、Nature子刊、JACS、PNAS 等国际期刊上发表了超过12篇文章，为各领域科学研究起到重要的推动作用。核磁和电镜分析系统现在正全面开放运行。
该研究工作受到中科院战略性先导科技专项（B类）、国家科技部、国家科技重大专项、国家自然科学基金委以及上海市科委基础研究项目的经费资助，并得到国家蛋白质科学研究（上海）设施核磁系统以及电镜系统的大力支持。
线粒体钙离子单向转运体MCU的通道结构。（A） 单颗粒重组获得的负染电镜图；（B） 钙离子转运通道示意图；（C） MCU五聚体的核磁结构示意图；（D）MCU单体的结构组成。