近日，北京大学生命科学学院李龙研究员课题组在Nature Structural & Molecular Biology杂志发表了一篇引人注目的研究论文，题为“Molecular pathway of mitochondrial preprotein import through the TOM-TIM23 supercomplex”。这项研究揭示了线粒体中介导蛋白质转运的TOM-TIM23超级复合物的结构和生化结果，不仅重新定义了线粒体内膜TIM23转运体复合物的核心组成，还发现了新的蛋白质转运酶工作模式。
线粒体是真核细胞中最重要的细胞器之一，扮演着能量供应、胞内代谢、体内平衡和细胞凋亡等重要角色。线粒体内部分布着超过1000种蛋白质，细胞质中合成的99%线粒体蛋白质需要通过转运进行运输。线粒体蛋白质的运输对于维持和调控线粒体的活性至关重要，与许多代谢疾病和癌症的发生密切相关。李龙课题组一直致力于探究线粒体蛋白质进入线粒体的分子机制，此前的工作已经解析了线粒体膜蛋白通过TIM22转运复合物进入内膜的途径。
这次研究中，李龙课题组从TOM-TIM23超级复合物入手，采用创新的研究策略，选择将绿色荧光蛋白与线粒体蛋白质融合作为转运底物，成功捕获了TOM-TIM23超级复合物转运蛋白质底物的中间状态。通过冷冻电子显微镜单颗粒分析该中间态，研究人员发现了TOM复合物和TIM23复合物之间的直接相互作用，揭示了蛋白质底物如何从线粒体外膜跨越到内膜的新途径。这项研究不仅高分辨率地解析了TOM复合物的结构，还发现了一条极性氨基酸路径，这条路径介导蛋白质底物通过Tom40的中间孔道。
此外，研究人员通过在蛋白质底物的不同位点引入非天然氨基酸，并利用光交联技术探测蛋白质底物周围环境，发现了直接帮助底物跨越两层脂膜的核心亚基。令人意外的是，蛋白质底物的N端片段在内膜中与Tim17和Mgr2两个亚基交联，而不与认为是内膜转运通道的Tim23亚基交联。这一发现揭示了过去对TIM23复合物核心转运通路的认知存在重大偏差。结合AlphaFold2建模、生化交联、酵母遗传学和线粒体蛋白质体外转运等技术，研究人员确定了TIM23复合物的核心成分，由Tim23、Tim17和Mgr2三个亚基组成的异源三聚体。其中，Tim17和Mgr2形成一个通道状结构，而Tim23与Tim17背靠背结合，不参与通道的形成。在蛋白转运的过程中，蛋白质底物穿过Tim17和Mgr2形成的通道状结构，不直接与Tim23亚基接触。
通过这项研究，我们不仅开发了一套新颖的蛋白转运研究策略，揭示了线粒体蛋白质通过TOM-TIM23超级复合物穿越双层脂膜的关键路径，而且纠正了过去40年对于内膜TIM23转运复合物核心组分的错误认知。研究人员发现新的蛋白质转运酶工作模式，即Tim17作为核心转运亚基，以混合模式帮助蛋白质跨膜转运。这一发现为进一步深入理解线粒体的生物合成提供了坚实的基础。
线粒体蛋白质通过TOM-TIM23超级复合物的转运路径示意图
总结而言，这项研究的发表不仅对于线粒体蛋白质转运领域具有重要意义，还为我们认识线粒体的结构和功能提供了新的视角。研究人员的努力为我们揭示了线粒体蛋白质转运的新路径，并纠正了过去的错误认知。进一步的研究将有助于揭示更多关于线粒体蛋白质转运的细节，为解决与线粒体相关的疾病提供新的治疗策略。这项研究的成果将为生命科学领域的发展做出重要贡献。
