Nature | 线粒体的“能量之门”被破解：研究人员首次看清代谢引擎的分子开关

生物探索

2025-03-20 16:40发布于江苏科学领域创作者

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AI划重点 · 全文约2713字，阅读需8分钟

1.研究人员在《Nature》杂志上发表了一项关于线粒体丙酮酸载体(MPC)的结构与机制研究，首次捕获了MPC在运输过程中的三种动态构象。

2.MPC是一个由两个亚基构成的分子机器，每秒运输着数万个丙酮酸分子进入线粒体，驱动细胞呼吸的熊熊火焰。

3.研究团队在冷冻电镜结构中发现了抗癌药物UK5099的作用密码，以及来自羊驼体内的能"锁死"能量通道的纳米抗体。

4.此外，研究还揭示了MPC与细菌的SemiSWEET糖转运蛋白的惊人进化守恒性，以及MPC在癌症代谢中的关键作用。

5.未来，通过结构指导的药物设计，可能开发出特异性更强的抑制剂，实现"代谢精准打击"。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

在人体万亿个细胞的深处，隐藏着直径仅万分之一毫米的"能量之门"——线粒体丙酮酸载体（Mitochondrial Pyruvate Carrier, MPC）。这个由两个亚基构成的分子机器，每秒运输着数万个丙酮酸分子进入线粒体，驱动着细胞呼吸的熊熊火焰。它如同生命引擎的燃料阀门，决定着糖、脂肪、氨基酸三大营养物质的最终去向，却因结构成谜，被列为"21世纪代谢生物学十大未解难题"之一。

3月18日研究人员在《Nature》杂志投下了一枚"结构生物学炸弹"：“Structures and mechanism of human mitochondrial pyruvate carrier”。研究团队运用冷冻电镜技术，首次捕获MPC在运输过程中的三种动态构象，分辨率精确到3.0埃（Å）——相当于在月球表面看清一枚硬币的雕刻纹路。这项历时多年的研究不仅揭开了这个转运蛋白的分子芭蕾，更意外发现了抗癌药物UK5099的作用密码，甚至从羊驼体内找到了能"锁死"能量通道的纳米抗体。当原子级别的结构细节与癌症代谢的致命弱点产生碰撞，人类距离精准调控细胞能量流仅剩一步之遥。

细胞发电站的"燃料入口"之谜

在细胞的能量工厂——线粒体（mitochondria）内，每天有数以亿计的丙酮酸（pyruvate）分子穿越双层膜屏障。这个看似简单的运输过程，实则是维持生命运转的核心密码。就像发电站需要持续输送燃料，线粒体基质中的三羧酸循环（TCA cycle）完全依赖线粒体丙酮酸载体（mitochondrial pyruvate carrier, MPC）这个分子"燃料泵"的工作。

《自然》杂志刊载的这项突破性研究首次揭开了这个神秘转运蛋白的全貌。由复旦大学和西湖大学等联合团队完成的冷冻电镜（cryo-EM）研究，不仅解析了MPC在三种功能状态下的精细结构，更破解了其运输丙酮酸的分子机制。这项耗时多年的研究获得了分辨率高达3.0 Å的结构数据，相当于在分子尺度上拍出了"超清证件照"。

分子泵的三副面孔：冷冻电镜下的动态捕捉

研究团队通过创新的样品制备技术，成功捕获了MPC在运输过程中的三种关键构象：面向线粒体膜间隙（intermembrane space, IMS）的开放状态、完全封闭的闭塞状态（occluded state），以及面向基质（matrix-facing）的释放状态。就像用高速摄像机记录机械泵的工作过程，这些结构揭示了能量转化的动态密码。

在pH 6.8（模拟线粒体膜间隙酸性环境）条件下获得的3.7 Å闭塞态结构中，研究人员发现了关键的"分子拉链"——MPC1的Glu49与MPC2的Lys66形成盐桥，如同拉链齿般咬合。当研究人员将这两个位点突变时，丙酮酸运输效率骤降70%，证实了这个结构特征的核心作用。

抗癌药物的精准打击：UK5099的分子陷阱

令肿瘤研究者振奋的是，研究首次在原子水平揭示了经典抑制剂UK5099的作用机制。这种氰基肉桂酸衍生物（cyanocinnamate derivatives）的分子结构完美契合MPC的基质侧口袋，其羧酸基团与MPC1的Tyr62、Asn33形成氢键网络，而芳香环则嵌入由Phe66、Trp82等疏水残基构成的"分子沙发"中。

定量实验显示，当关键结合位点MPC2-Trp82被突变为天冬氨酸（W82D）时，UK5099的半数抑制浓度（IC50）飙升300倍。这就像在锁芯里塞入异物，让原本严丝合缝的钥匙无法插入。这种精准的分子对接机制，为设计新一代抗癌药物提供了黄金模板。

纳米抗体的空间封锁：来自羊驼的灵感

研究中的意外收获来自单域抗体（nanobody）的神奇应用。从羊驼免疫系统获得的Nb2抗体，被发现能插入MPC的基质侧通道。其β发夹结构上的Glu105同时与MPC1-Tyr62和MPC2-Lys49结合，这种"分子塞子"的阻断效果甚至优于化学抑制剂。在3.0 Å分辨率的冷冻电镜结构中，这个仅15 kDa的小抗体展现出令人惊叹的空间阻断能力。

更令人称奇的是，当研究人员同时使用Nb1和Nb2时，两种抗体如同"分子手铐"将MPC锁定在特定构象。这种双抗体制备技术为研究动态膜蛋白提供了全新思路，未来可能发展出更精准的代谢调控工具。

亿万年的进化密码：从细菌到人类的守恒性

当研究团队将MPC结构与细菌的SemiSWEET糖转运蛋白对比时，发现了惊人的进化守恒性。虽然两者底物不同（丙酮酸 vs 糖类），但都采用1-3-2跨膜螺旋束（transmembrane helix bundle）的经典折叠方式。就像不同功能的机械泵共享基础零件，这种结构框架可能是转运蛋白的共同进化起点。

不过，MPC的结合口袋明显更紧凑。在闭塞态结构中，其内部空间仅有SemiSWEET的1/3大小，这解释了为什么MPC对底物具有严格选择性。这种尺寸差异就像保险箱与储物柜的区别，确保只有特定的代谢物能通过检查。

癌症代谢的致命弱点：从结构到治疗的飞跃

在肿瘤微环境中，癌细胞常表现出Warburg effect——即便在富氧条件下也优先进行糖酵解（glycolysis），导致乳酸堆积。MPC作为连接糖酵解与TCA循环的枢纽，其抑制会迫使癌细胞进入更脆弱的代谢状态。研究揭示的UK5099结合位点，正是开发靶向药物的理想靶标。

更令人兴奋的是，某些前列腺癌细胞（androgen receptor-driven prostate cancer）被发现高度依赖MPC活性。通过结构指导的药物设计，未来可能开发出特异性更强的抑制剂，实现"代谢精准打击"。就像关闭发电站的燃料阀门，切断癌细胞的能量供应。

穿越时空的分子探戈：生命之舞的新理解

这项研究最深刻的启示，在于揭示了生物分子机器的动态本质。MPC的三个构象状态如同精心编排的舞蹈动作：膜间隙侧的"门户开启"、运输通道的"暂时封闭"、基质侧的"货物卸载"。每个动作转换都伴随着精密的分子互动，就像钟表齿轮的咬合般严丝合缝。

特别值得注意的是，研究首次观察到心磷脂（cardiolipin）分子在MPC1与MPC2间的桥梁作用。这种线粒体特有磷脂的调控功能，暗示着细胞可能通过改变膜成分来微调代谢流量。就像交响乐指挥调整乐器配置，细胞通过改变膜环境来协调代谢乐章。

打开精准医疗的新维度

当研究人员在冷冻电镜中看清MPC的分子细节时，他们不仅破解了一个转运蛋白的工作密码，更打开了一扇通往精准代谢调控的大门。从癌症治疗到神经退行性疾病，从糖尿病干预到COVID-19并发症管理，这项基础研究的涟漪正在扩散。

每个原子坐标的确定，都是向生命奥秘迈出的坚实一步。在结构生物学的光芒下，那些曾经抽象的代谢通路正变得触手可及。当有一天，医生能根据患者肿瘤的MPC结构特征选择抑制剂，当神经退行性疾病能通过代谢重编程缓解，我们将会想起这个在2025年春天被揭晓的分子之谜。

参考文献

Liang J, Shi J, Song A, Lu M, Zhang K, Xu M, Huang G, Lu P, Wu X, Ma D. Structures and mechanism of human mitochondrial pyruvate carrier. Nature. 2025 Mar 18. doi: 10.1038/s41586-025-08873-8. Epub ahead of print. PMID: 40101766.

责编|探索君

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