近期，中科院合肥研究院強磁場中心王俊峰、周數研究團隊在線粒體蛋白跨膜轉運研究領域取得了突破性進展：利用液體核磁共振技術在國際上首次解析出酵母線粒體內膜Tim23通道蛋白與其底物肽段的複合物三維空間結構。相關研究成果以「Solution structure of the voltage-gated Tim23 channel in complex with a mitochondrial presequence peptide」為題發表在國際期刊《Cell Research》上。
線粒體擁有複雜而又精細的蛋白質轉運系統來介導不同的細胞質前體蛋白轉運至線粒體各區域。Tim23通道蛋白自身或在其他相關亞基的幫助下，可以特異性識別細胞質前體蛋白並轉運至線粒體基質內或者插入到線粒體內膜中。近年來，圍繞該通道蛋白的功能研究取得了很大的進步，但是Tim23 通道蛋白的三維空間結構依然未知。
該項研究工作中解析的Tim23-pCoxIV複合物結構是目前利用液體核磁共振技術所解析的分子量最大的膜蛋白複合物之一，並且發現了一系列獨特的空間結構特點。首先是Tim23蛋白N端膜外區域包含了一個特異性識別、結合前體蛋白的結構域。其次是Tim23通道蛋白的控制開關採用了雙開關的控制機制：第一重開關是由六個帶電荷胺基酸殘基構成的三對離子鍵，存在於內膜的表面之上，起到電壓感受器的作用；第二重開關是存在於通道頂端開口內的芳香族胺基酸側鏈，起到空間位阻的作用。最後是通道的結合界面是依靠弱的氫鍵維繫，在前體蛋白進入通道以後，同時能夠打破氫鍵，從而使通道解離為單體。基於體外電生理實驗結果以及以上蛋白結構特點，研究人員提出了Tim23通道蛋白跨膜轉運細胞質前體蛋白的分子機制模型。
該項研究獲得國家自然科學基金、中科院人才項目基金和歐盟Horizon 2020項目基金的支持。核磁共振實驗受到穩態強磁場實驗裝置和德國法蘭克福大學核磁中心的支持。
Fig. Tim23-pCoxIV複合物的溶液狀態三維空間結構。
a.Tim23-pCoxIV複合物三級結構;b. Tim23蛋白N端識別底物的結合方式;c.通道分子開關1-電壓感受器;d.通道分子開關2-多對芳香族胺基酸簇;e.Tim23蛋白二聚體結合界面;f.蛋白質轉運通道縱向切面視圖;g.蛋白通道內側胺基酸分布; h,i,j,k.Tim23野生型及功能區域突變體的電生理分析; I,m,n.Tim23通道蛋白轉運分子機制模型.
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