线粒体Ups蛋白转运磷脂的分子机理研究

The structure of mitochondrial membrane is composed of inner membrane, outer membrane and intermembrane space. The cardolipin（CL） is the feathered dominant phospholipids of the inner membrane, the homostasis of which is essentail for mitochondrial function and morphogenesis. CL is synthesized from phosphatic acid(PA),which is synthesized in the endoplasmic reticulum (ER)and imported to the outer membrane of mitochondria, from where the PA is further transported to the inner membrane. The transport of PA from mitochondrial outer membrane to the inner membrane is regulated by the mitochondrial CL level.When the CL level is low,the intermambrane protein Ups1 will gather on the outer membrane and extrat the PA molecule, then another intermembrane protein Mdm35 forms a complex with Ups1 and transports PA from the outmembrane to the inner membrane, where the PA is released.After the PA release,the Ups1-Mdm35 complex will disassemble, and the Ups1 is degraded by the peptidase.In this project,we choose the protein complex Ups-Mdm35 to carry out structural and functional study. By determining the protein structure complexes with and without the substrate, together with in vitro functional assays including lipid binding and lipid characterization,and in vivo mitochondrial morphological observation and yeast knockout strain complementary analysis, we aim to elucidate the molecular mechanism of Ups-Mdm35 in lipid specific binding, release and feedback inhibation.

线粒体膜结构含外膜、内膜和膜间隙三部分，心磷脂是内膜的主要特征性磷脂，线粒体功能的行使和形态的形成都需要它的正常代谢。心磷脂合成的原料为磷脂酸，磷脂酸从内质网合成后被运送到线粒体的外膜。当线粒体中心磷脂水平下降时，线粒体膜间隙蛋白Ups1会锚定到外膜上萃取磷脂酸，随后在接头蛋白Mdm35的帮助下跨越膜间隙转运磷脂酸到内膜，释放磷脂酸合成心磷脂，Ups1-Mdm35 蛋白复合物也随即解离。当心磷脂水平过高时，Ups1与心磷脂结合并将之固定在内膜上，从而降低心磷脂量。本项目以位于线粒体内外膜间隙中主导磷脂酸转运过程的蛋白复合体Ups1-Mdm35为主要研究对象，运用结构生物学、生物化学、质谱技术、细胞生物学等多种方法，对复合体结合、转运以及释放磷脂酸的分子机制进行研究，并通过分析比较同家族蛋白Ups2、Ups3及其复合物的结构与功能的关系，阐明这一类蛋白在线粒体膜间隙转运磷脂过程中的作用机理。

本项目主要围绕线粒体Ups蛋白转运磷脂的分子机制开展研究。项目实施三年，圆满完成研究任务和目标。取得的研究成果包括：表达并纯化了具有生物活性的 Ups1-Mdm35 蛋白复合物，解析了 Ups1蛋白与Mdm35蛋白复合物、 Ups1-Mdm35结合底物磷脂酸PA两种复合物的晶体结构。揭示了Ups1与Mdm35分子相互作用的机理，揭示并分析了复合物和底物PA分子结合的氨基酸，阐明了底物结合和释放的分子机理。基于 Ups1-Mdm35-PA 复合物结构，构建了 Ups1-Mdm35与CL结合的分子模型，提出了线粒体 Ups1-Mdm35 复合体转运 PA并受CL反馈调控机理的模型。基于Ups1-Mdm35-PA复合物结构，运用分子模拟的方法得到了Ups2 /Ups3与Mdm35的复合物结构，阐释了其结合不同磷脂分子的可能机理。研究工作主要结果于2015年6月12日发表于EMBO Report上。研究成果受到同行的高度评价并被F1000推荐。