线粒体---负责人体细胞能量生产的细胞器---曾经是自由生活的有机体，在10多亿年前进入了早期真核细胞。从那时起，它们在一个典型的共生进化的例子中与宿主完美融合，现在依靠宿主细胞核中的许多蛋白来正常运作。
线粒体外膜上的蛋白尤其重要；它们允许线粒体与细胞的其他部分进行交流，并在免疫功能和一种称为细胞凋亡的程序性细胞死亡中发挥作用。在进化的过程中，细胞演化出一种特定的机制，将这些在细胞质中制造的蛋白插入线粒体膜中。但这种机制是什么，以及哪些细胞参与者参与其中，长期以来一直是个谜。
在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院怀特黑德研究所和加州理工学院的研究人员为这个谜团提供了一个解决方案。他们揭示一种与许多细胞过程、甚至癌症和阿尔茨海默病等疾病有关的蛋白---MTCH2（mitochondrial carrier homolog 2）---充当各种蛋白进入线粒体外膜的门户，它是线粒体外膜蛋白插入酶。相关研究结果发表在2022年10月21日的Science期刊上，论文标题为“MTCH2 is a mitochondrial outer membrane protein insertase”。
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论文共同通讯作者、怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman说，“在此之前，没有人知道MTCH2到底在做什么---人们只知道，当失去它时，所有这些不同的事情都会发生在细胞上。为什么这种蛋白会影响这么多不同的过程，这有点像一个谜。这项新的研究为理解为什么MTCH2与阿尔茨海默病、脂质生物合成和线粒体裂变和融合有关提供了分子基础：因为它负责在线粒体外膜上插入所有这些不同类型的蛋白。”
论文共同通讯作者、加州理工学院的Rebecca Voorhees教授说，“我们实验室之间的合作对于理解这种相互作用的生物化学至关重要，并导致了对细胞生物学中一个基本问题的真正令人兴奋的新理解。”
寻找门户
为了找出来自细胞质的蛋白---特别是一类称为尾锚定蛋白（tail-anchored protein）的蛋白---如何被插入线粒体外膜，Weissman实验室博士后研究员Alina Guna与Voorhees实验室的研究生Taylor Stevens和博士后Alison Inglis一起，决定使用一种叫做CRISPR干扰（CRISPRi）筛选方法的技术。
Guna说，“CRISPRi筛选让我们系统地去除每一个基因，然后看看[对一种特定的尾锚定蛋白]发生了什么。我们发现了一个基因，即MTCH2，当我们去掉它时，我们的蛋白进入线粒体外膜的数量有了巨大的减少。所以我们想，也许它就是进入门户。”
为了证实MTCH2是作为进入线粒体外膜的门户，这些作者进行了额外的实验来观察当MTCH2不存在于细胞中时发生了什么。他们发现，MTCH2对于允许尾锚定蛋白从细胞质进入线粒体外膜来说既是必要的，也是足够的。
MTCH2将蛋白从细胞质转运到线粒体外膜的能力可能是由于它的特殊形状。这些作者通过将该蛋白的序列输入到Alpha Fold，即一种可通过氨基酸序列预测蛋白结构的人工智能系统。Alpha Fold显示MTCH2是一种疏水蛋白---非常适合插入油性膜中，但含有一个亲水槽（hydrophilic groove），这个亲水槽可允许其他蛋白进入。
Guna说，“它基本上就像一个漏斗。来自细胞质的蛋白滑入那个亲水槽，然后从MTCH2进入线粒体外膜内。”
为了证实这个亲水槽在MTCH2蛋白的功能中是重要的，Guna和她的同事们设计了另一个实验。Guna说，“我们想要改变这个结构，看看我们是否能改变它的行为，我们能够做到这一点。我们进行了单点突变，这个点突变足以真正改变这种蛋白的行为以及它与底物的相互作用。然后我们继续研究，发现了让它的活性降低的突变和让它变得超级活跃的突变。”
人线粒体蛋白酶体外保护试验。图片来自Science, 2022, doi:10.1126/science.add1856。
这项新的研究除了回答线粒体研究的一个基本问题外，还有其他应用。Guna说，“这项新的研究带来了很多东西。”
首先，MTCH2插入的蛋白在一种称为细胞凋亡的程序性死亡中起着关键作用，人们有可能利用这一点来治疗癌症。Guna说，“我们可以通过让白血病细胞发生一个改变MTCH2活性的突变，使它们对癌症治疗更加敏感。这种突变使MTCH2表现得更加‘贪婪’，并将更多的东西插入到线粒体外膜中，而其中一些插入的东西就是促凋亡因子，因此这些细胞更有可能死亡，这在癌症治疗中是非常好的。”
这项新的研究还提出了关于MTCH2如何随着时间进化出它的功能的问题。MTCH2是从一个称为溶质转运蛋白（solute carrier）的蛋白家族演变而来的，溶质转运蛋白可转运细胞膜上的一系列物质。Weissman说，“我们对这个进化问题非常感兴趣，即如何从一类古老的、普遍存在的蛋白中进化出一种新的功能？”
这些作者对于线粒体如何与细胞的其他部分相互作用仍有很多东西需要了解，包括它们如何对应激和细胞内的变化做出反应，以及蛋白如何首先找到它们的方式来进入线粒体外膜。Weissman说，“我认为，[这篇论文]只是第一步。这只适用于一类膜蛋白，而且它没有揭示蛋白在细胞质中被制造后发生的所有步骤。例如，它们是如何被运送到线粒体的？所以请继续关注---我想我们将会了解到我们现在有一个非常好的系统来阐明细胞生物学的这个基本部分。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
Alina Guna et al. MTCH2 is a mitochondrial outer membrane protein insertase. Science, 2022, doi:10.1126/science.add1856.
