Nat Cell Biol | 線粒體輸入復合體驅動線粒體-脂滴膜接觸的分子機制

撰文 | 阿童木

線粒體是細胞能量代謝與信號整合的核心細胞器，其外膜不僅界定細胞器邊界，還承擔蛋白質 輸入 和分子交換等功能。與多數細胞器類似，絕大部分線粒體蛋白并不在線粒體內合成，而是在細胞質核糖體上翻譯后被靶向并 輸入 線粒體。因此，線粒體外膜需要依賴一套高度精密的轉運與組裝體系，以確保不同類型膜蛋白能夠被正確插入并發揮功【1】。

在線粒體外膜整合蛋白中，主要存在兩種結構類型：跨膜β-桶蛋白和含α-螺旋跨膜片段的蛋白。β-桶蛋白數量較少，在酵母和哺乳動物線粒體中僅鑒定出約 5 種成員，但它們通常形成跨膜通道，在蛋白質和代謝物運輸中發揮關鍵作用【2】。這類蛋白首先通過外膜通用轉位酶復合物（TOM復合物）跨越外膜，隨后由分選與組裝機制復合物（SAM復合物）介導插入和折疊。

相比之下，含α-螺旋跨膜結構的蛋白占線粒體外膜整合蛋白的絕大多數，參與蛋白 輸入 、膜動態調控以及代謝信號等多種關鍵過程。這類蛋白的膜插入主要依賴線粒體插入復合物（MIM復合物），該復合物由Mim1和Mim2組成。MIM既可以直接作為插入酶嵌入底物蛋白，也能夠與TOM和SAM復合物協同工作，協調外膜蛋白的組裝【3】。然而，MIM復合物在細胞器互作和代謝調控中的潛在功能仍然不清楚。

近日,波恩大學 Thomas Becker 實驗室與弗萊堡大學 Nikolaus Pfanner 實驗室等合作在

Nature Cell Biology

Mitochondria contact lipid droplets through the mitochondrial import complex binding to lipid metabolism enzyme Ayr1

作者 首先通過在Mim2上添加親和標簽并結合質譜分析篩選互作蛋白，鑒定到脂質代謝酶Ayr1是MIM復合物的重要結合伙伴，其共純化效率與Mim1本身相當。多種獨立實驗進一步證實了這一互作關系，包括雙向親和純化、無標簽共免疫沉淀以及裂解后混合對照實驗等。值得注意的是，在缺乏脂滴形成能力的酵母突變體中，這一相互作用仍然存在，說明 Ayr1能夠直接與線粒體外膜上的MIM復合物結合，而不依賴脂滴結構 。

顯微成像結果顯示，Ayr1在細胞中呈點狀分布于線粒體網絡，并與脂滴標記蛋白在相鄰區域共定位，提示Ayr1可能在靠近脂滴的位置與MIM復合物發生相互作用，從而在兩種細胞器之間形成連接結構。功能分析表明，Ayr1缺失并不會顯著影響MIM、TOM或SAM復合物的整體水平，也不會明顯損害MIM對多數底物的 輸入 能力。然而，在ayr1?線粒體中，某些MIM底物（如Ugo1）的 輸入 效率會出現下降。這一現象與線粒體磷脂組成變化有關： Ayr1缺失會降低磷脂酸（PA）含量，而PA被認為能夠促進Ugo1的膜插入。

此外， Ayr1還在脂滴穩態調控中發揮重要作用。細胞缺失Ayr1時脂滴數量明顯減少，而過表達Ayr1則會增加脂滴數量。進一步研究顯示，Ayr1通過依賴Nem1的途徑促進脂滴生物發生，并在脂肪酸合成受到抑制時對抗脂滴降解。總體而言， Ayr1通過調節線粒體磷脂組成，尤其是PA水平，從而促進脂滴形成并維持脂滴穩態 。

作者 隨后檢測了Ayr1對線粒體–脂滴接觸位點形成的影響。過表達Ayr1時，脂滴相關蛋白（如Pdr16和Erg1）在分離的線粒體組分中顯著增加，同時PA水平也出現中度升高。利用split-Venus活細胞接觸探針實驗進一步證實，Ayr1能夠促進線粒體與脂滴之間接觸位點的形成，而缺失Ayr1則明顯削弱這一過程。此外,過表達Ayr1導致細胞中線粒體網絡出現明顯碎裂，并伴隨生長缺陷，這一現象依賴Dnm1介導的線粒體分裂機制。值得注意的是，酶活性缺失的Ayr1突變體雖然仍能與MIM結合并定位于線粒體附近，但無法增加接觸位點數量、脂滴總數或脂滴蛋白在線粒體中的富集。這表明 Ayr1的酶活性對于促進線粒體–脂滴接觸位點形成以及維持脂滴穩態是必需的 。

Ayr1在細胞中分布于線粒體、內質網和脂滴等多個區室。研究發現，缺失Mim1會顯著降低Ayr1在線粒體中的定位水平，說明MIM復合物（特別是Mim1）對于Ayr1的線粒體募集至關重要。在mim1?細胞中，脂滴數量減少，與線粒體的關聯也明顯下降，同時脂滴降解速度加快。雙敲除mim1?和ayr1?并不會進一步加重脂滴減少的表型，說明兩者很可能在同一途徑中調控脂滴穩態。轉錄組分析還顯示，在碳源饑餓條件下，MIM1、AYR1和NEM1的表達水平會同步上調。因此， Mim1通過募集Ayr1至線粒體，正向調控脂滴穩態和線粒體–脂滴接觸位點 。

進一步研究表明，Ayr1 C端包含一個關鍵的疏水片段（HyS），這一結構對于其線粒體定位至關重要。刪除該片段后，Ayr1無法有效靶向線粒體，也不能增加脂滴數量或促進接觸位點形成。當用Tom5跨膜結構替換HyS以增強線粒體定位時，雖然脂滴數量僅略有增加，但線粒體–脂滴接觸位點顯著增多，并導致線粒體網絡碎裂。相比之下，將Ayr1重新錨定到內質網或脂滴則無法有效促進接觸位點形成，說明 Ayr1必須通過其天然結構定位于線粒體外膜，才能發揮完整功能 。

結構分析進一步 證明， Ayr1并不是通過完全插入膜結構而錨定在線粒體，而是通過蛋白質相互作用與MIM復合物形成穩定復合體。其C端疏水片段形成一個α-螺旋發夾結構，兩端均朝向細胞質，使Ayr1主體位于線粒體表面。將這一發夾結構突變為跨膜結構后，Ayr1會從MIM復合物中釋放。功能實驗還發現，過表達Ayr1會競爭性抑制部分MIM底物的 輸入 ， 說明Ayr1與這些底物在MIM復合物上共享結合位點。這些結果提示， MIM復合物在細胞中可能存在功能分化：一部分復合體負責傳統的外膜蛋白 輸入 ，而另一部分則通過穩定結合Ayr1參與脂滴穩態調控和線粒體–脂滴接觸位點的形成 。

綜上所述，本研究揭示了一種 新的線粒體–脂滴連接機制 。 線粒體外膜的MIM 輸入 復合體能夠通過結合脂質代謝酶Ayr1，在兩種細胞器之間建立穩定的接觸結構。Ayr1不僅調控脂滴形成和脂質組成，還通過其與MIM的相互作用將脂滴錨定在線粒體表面 。這一發現表明， 線粒體蛋白 輸入 機器不僅參與膜蛋白生物發生，還可以被“功能再利用”為細胞器互作的平臺，從而協調細胞脂質代謝與細胞器組織結構 。

https://doi.org/10.1038/s41556-026-01890-3

制版人： 十一

參考文獻

1. Richter-Dennerlein, R., Dennerlein, S. & Rehling, P. Integrating mitochondrial translation into the cellular context.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.16, 586–592 (2015).

2. Araiso, Y., Imai, K. & Endo, T. Role of the TOM complex in protein import into mitochondria: structural view.Annu. Rev. Biochem.21, 679–703 (2022).

3. Doan, K. N. et al. The mitochondrial import complex MIM functions as main translocase for α-helical outer membrane proteins.Cell Rep.31, 107567 (2020).

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