MFN1的二体结构揭示线粒体外膜融合的分子机制

Continous fusion and fission of mitochondria will decide mitochondrial dynamic morphology. Fusion of the mitochondrial outer and inner membranes requires the action of two evolutionarily distinct integral membrane dynamin-related proteins, MFN1/MFN2 in mammals (outer membrane) and OPA1 in mammals (inner membrane). However, how do MFNs promote the mitochondria fusion, the exact mechanism of Mfn-mediated fusion remains elusive. we plan to determinate the three dimentional structures of MFN1s dimer in complex with GDP.BeF3, and GDP.AlF4.K, based on both theoretical and experimental studies, provided a model to explain Mfn-mediated fusion.

线粒体持续的融合与分裂决定线粒体动态的形态，线粒体外膜和内膜融合需要两个进化完全不同的动力相关膜嵌合蛋白，MFN1/MFN2（外膜）和OPA1（内膜）。然而MFNs如何启动线粒体的膜融合，其精确的分子机制至今还不清楚。我们计划解析MFN1两个二体结构: MFN1/GDP.BeF3和MFN1/GDP.AlF4.K，通过理论和实验的学习，提出一个模型用于解释MFNs介导的线粒体膜融合机制。

线粒体通过持续的融合和分裂维持其形态，线粒体的外膜融合通过发动蛋白介导的，发动蛋白是有一大类GTPase酶家族组成，包括哺乳动物的线粒体蛋白MFNs和酵母的Fzo1p。MFN1可以形成核苷酸依赖的二体并且持续水解GTP实现膜的栓连。然而线粒体外膜融合机制至今不清楚，由于线粒体融合蛋白MFN1的全长蛋白很难表达，所以我们构建MFN1-MGD克隆，并解析了MFN1结合GDP.BeF3-的二体结构，MFN1的GTPase和HB1二体结构，一个钾离子参与GDP.BeF3-催化中心的结合，酶活分析发现GTP的水解需要钾离子的参与，并且钾离子可以提高GTP的5倍水解活力，并且HB1发生大的构象变化，产生77度的弯曲，暗示了HB结构域从相反的方便栓连线粒体膜去实现线粒体的膜融合。通过FRET实验证实MFN1的HB1会发生构象变化实现线粒体的膜融合，生化和细胞生物学实验证实神经痉挛性性疾病的遗传突变会影响MFN1的二体化，从而形象线粒体的外膜融合最终改变线粒体的形态。