Science｜PINK1激酶与内源性线粒体TOM复合体结构解析

摘要：泛素激酶PINK1突变会导致早发性帕金森症，PINK1可以作为早期线粒体损伤信号的感应器以及传导器【1】。在健康的线粒体中，PINK1通过TOM复合体中的转位酶转位通过线粒体外膜，并通过内膜转位酶TIM23插入到线粒体内膜，随后被线粒体内膜蛋白酶PARL切割，

撰文丨十一月

泛素激酶PINK1突变会导致早发性帕金森症，PINK1可以作为早期线粒体损伤信号的感应器以及传导器【1】。在健康的线粒体中，PINK1通过TOM复合体中的转位酶转位通过线粒体外膜，并通过内膜转位酶TIM23插入到线粒体内膜，随后被线粒体内膜蛋白酶PARL切割，易位并被蛋白酶体降解。线粒体去极化则会导致向内膜转运停滞，PINK1会被稳定在线粒体外膜上，激酶结构域被激活，会促进线粒体自噬。

先前的研究通过分离PINK1证实了PINK1激活的分子细节，然而很难对PINK1进行结构表征，因为PINK1的N末端包含多种突变。因此，全长的PINK1在线粒体上的结构解析对于理解PINK1激活因子以及治疗帕金森症将会非常关键。为此，澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所David Komander研究组、Alisa Glukhova研究组以及Sylvie Callegari（第一作者）合作在Science上发文题为

Structure of human PINK1 at a mitochondrial TOM-VDAC array，揭开了PINK1与TOM-VDAC的结构，揭示了PINK1是如何在TOM复合体稳定以及TOM-VDAC的组装过程。

为了理解人体PINK1稳定性，作者们研究了PINK1在去极化线粒体内源环境的结构。早期的工作发现过氧化氢处理会产生100 kDa的条带，这是PINK1以及TIM50的复合体。这说明PINK1可以用来诱捕TOM-TIM23超复合体。为了进行生物化学以及结构研究，作者们使用了Expi293细胞表达系统，表达3xFLAG标记的野生型人类的PINK1蛋白。通过寡霉素/抗霉素处理对PINK1进行稳定，并进行化学交联质谱。作者们发现PINL1与TOM复合体存在广泛的交联，大规模的蛋白纯化产生足够的蛋白进行冷冻电镜解析。

图1 PINK1以及相关复合体结构解析

作者们得到了3.1Å分辨率的结构，重建的复合体中包括两个TOM核心复合体，TOM40、TOM7、TOM6、TOM5、TOM22以及TOM20（图1）。作者们解析的结构包括PINK1的63-581氨基酸，其中70-110位氨基酸位于TOM40桶状结构中。在该结构中，人类PINK1具有活性激酶结构。总的来说作者们所发现的结构与先前在其他模型中发现的PINK1结构在生化特性以及结构特征中相似。

之后，作者们进一步探究人类PINK1二聚体与TOMVDAC阵列的相互作用。作者们发现TOM-VDAC分子内的二硫化物进一步稳定PINK1。TOM-VDAC阵列上的激酶二聚体位置进一步通过与TOM20和TOM5的相互作用，将其牢牢地束缚在其位置上。TOM20在锁定的PINK1周围提供了一个复杂的支撑结构。PINK1二聚体锁定结构，通过五个表面片段与TOM40相互作用。

作者们所发现的结构解决了一个长期的问题，生理上水平下预蛋白序列是如何通过TOM复合体导入线粒体的。PINK1的N末端预序列能够被TOM复合体中受体蛋白TOM20以及TOM22识别，协助PINK1的N末端通过TOM40桶状结构。该预序列能够被TIM23复合体所识别并与PINK1形成交联结构，导致健康线粒体中PINK1被切割和降解。线粒体去极化会导致TIM23易位的驱动力失活，从而阻碍PINK1通过内膜的运输，导致与TOM复合体结合的PINK1累积。

图2 工作模型

总的来说，作者们的工作发现PINK1-TOM超配合物的结构研究（图2），可以为稳定线粒体上的PINK1提供新的思路，为帕金森患者开发新的治疗方案。

制版人：十一

参考文献

1. E. M. Valente, P. M. Abou-Sleiman, V. Caputo, M. M. K. Muqit, K. Harvey, S. Gispert, Z. Ali, D. Del Turco, A. R. Bentivoglio, D. G. Healy, A. Albanese, R. Nussbaum, R. González-Maldonado, T. Deller, S. Salvi, P. Cortelli, W. P. Gilks, D. S. Latchman, R. J. Harvey, B. Dallapiccola, G. Auburger, N. W. Wood, Hereditary early-onset Parkinson’s disease caused by mutations in PINK1.Science304, 1158–1160 (2004). doi:10.1126/science.1096284

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