6月8日，國際學(xué)術(shù)期刊EMBO JOURNAL在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心歐陽波團(tuán)隊與美國Oklahoma大學(xué)健康科學(xué)中心的林家凌團(tuán)隊、加拿大Sunnybrook研究院的David W. Andrews團(tuán)隊的合作研究論文“An amphipathic Bax core dimer forms part of the apoptotic pore wall in the mitochondrial membrane”。該研究通過核磁共振技術(shù)解析了促凋亡蛋白Bax的核心結(jié)構(gòu)域在脂雙分子層膜上的精確三維結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)指導(dǎo)基因突變和體外活性研究證明了該結(jié)構(gòu)在線粒體膜Bax成孔過程中的關(guān)鍵功能。該研究促進(jìn)了人們對蛋白在膜上成孔的分子機制的理解。
細(xì)胞凋亡是維持細(xì)胞數(shù)量動態(tài)平衡的重要手段，凋亡失常將導(dǎo)致許多疾病的發(fā)生。Bax是一個關(guān)鍵的促細(xì)胞凋亡蛋白，在調(diào)控線粒體凋亡途徑中發(fā)揮著不可或缺的作用。正常情況下，Bax是以單體形式靜存于細(xì)胞基質(zhì)中。當(dāng)細(xì)胞接收到凋亡信號后，Bax會被激活并在線粒體膜中形成多聚體孔洞，釋放細(xì)胞色素C，從而起動凋亡程序。Bax單體是一個由九個α螺旋組成的球狀蛋白，激活后會將疏水的α9螺旋釋放出來與線粒體膜結(jié)合。然而Bax在膜上的狀態(tài)是什么樣的，是如何形成孔洞來改變線粒體通透性進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡的，長期以來沒有得到解答。
歐陽波團(tuán)隊通過核磁共振技術(shù)首次解析了Bax的核心結(jié)構(gòu)域α2-α5雙體在脂雙分子層類膜體系中的精準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)α4和α5形成了一個平整的疏水平面。利用蛋白-磷脂NOE和順磁探針滴定的方法，進(jìn)一步確定了的Bax（α2-α5）在膜上的精確位置，發(fā)現(xiàn)Bax（α2-α5）α4和α5的疏水平面?zhèn)荣N于膜之邊緣，并與膜形成60o的夾角來最大限度的保護(hù)疏水磷脂雙層（如圖所示），其中R89、F93、F114、A117和S118是與膜相互作用的關(guān)鍵氨基酸。
根據(jù)該核磁結(jié)構(gòu)，林家凌團(tuán)隊制備了R89E、F93E、F114E、A117D和S118D的突變，來破壞Bax與膜的靜電相互作用或者疏水相互作用，并用脂質(zhì)體熒光色素釋放實驗來檢測Bax是否還能形成孔洞，結(jié)果表明這些突變體都顯著地降低了Bax的破膜活性；David W. Andrews團(tuán)隊進(jìn)一步在細(xì)胞中進(jìn)行了線粒體膜通透性實驗，也證實了這些突變體在天然線粒體膜中成孔能力下降。以上這些結(jié)構(gòu)和功能實驗揭示了細(xì)胞凋亡蛋白Bax在線粒體膜上獨特的成孔模式，拓展了人們對成孔蛋白膜上成孔機制的理解。
分子細(xì)胞卓越中心博士生呂福嬌和溫茂榮助理研究員、美國Oklahoma大學(xué)齊飛碩士和張志研究助理以及加拿大Sunnybrook研究院Justin Kale博士為本文的共同第一作者。分子細(xì)胞卓越中心歐陽波研究員，美國Oklahoma大學(xué)健康科學(xué)中心林家凌教授和加拿大Sunnybrook研究院David W. Andrews教授為本文的共同通訊作者。該研究得到國家科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金等的資金支持。該研究還得到國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海）設(shè)施核磁系統(tǒng)的大力協(xié)助。
文章鏈接：https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2020106438
Bax（α2-α5）在線粒體外膜上形成孔洞的模型頂視圖（左）和側(cè)貼于脂雙層膜的放大圖（右）
