Nat Cell Biol | 线粒体输入复合体驱动线粒体-脂滴膜接触的分子机制

撰文 | 阿童木

线粒体是细胞能量代谢与信号整合的核心细胞器，其外膜不仅界定细胞器边界，还承担蛋白质 输入 和分子交换等功能。与多数细胞器类似，绝大部分线粒体蛋白并不在线粒体内合成，而是在细胞质核糖体上翻译后被靶向并 输入 线粒体。因此，线粒体外膜需要依赖一套高度精密的转运与组装体系，以确保不同类型膜蛋白能够被正确插入并发挥功【1】。

在线粒体外膜整合蛋白中，主要存在两种结构类型：跨膜β-桶蛋白和含α-螺旋跨膜片段的蛋白。β-桶蛋白数量较少，在酵母和哺乳动物线粒体中仅鉴定出约 5 种成员，但它们通常形成跨膜通道，在蛋白质和代谢物运输中发挥关键作用【2】。这类蛋白首先通过外膜通用转位酶复合物（TOM复合物）跨越外膜，随后由分选与组装机制复合物（SAM复合物）介导插入和折叠。

相比之下，含α-螺旋跨膜结构的蛋白占线粒体外膜整合蛋白的绝大多数，参与蛋白 输入 、膜动态调控以及代谢信号等多种关键过程。这类蛋白的膜插入主要依赖线粒体插入复合物（MIM复合物），该复合物由Mim1和Mim2组成。MIM既可以直接作为插入酶嵌入底物蛋白，也能够与TOM和SAM复合物协同工作，协调外膜蛋白的组装【3】。然而，MIM复合物在细胞器互作和代谢调控中的潜在功能仍然不清楚。

近日,波恩大学 Thomas Becker 实验室与弗莱堡大学 Nikolaus Pfanner 实验室等合作在

Nature Cell Biology

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

作者 首先通过在Mim2上添加亲和标签并结合质谱分析筛选互作蛋白，鉴定到脂质代谢酶Ayr1是MIM复合物的重要结合伙伴，其共纯化效率与Mim1本身相当。多种独立实验进一步证实了这一互作关系，包括双向亲和纯化、无标签共免疫沉淀以及裂解后混合对照实验等。值得注意的是，在缺乏脂滴形成能力的酵母突变体中，这一相互作用仍然存在，说明 Ayr1能够直接与线粒体外膜上的MIM复合物结合，而不依赖脂滴结构 。

显微成像结果显示，Ayr1在细胞中呈点状分布于线粒体网络，并与脂滴标记蛋白在相邻区域共定位，提示Ayr1可能在靠近脂滴的位置与MIM复合物发生相互作用，从而在两种细胞器之间形成连接结构。功能分析表明，Ayr1缺失并不会显著影响MIM、TOM或SAM复合物的整体水平，也不会明显损害MIM对多数底物的 输入 能力。然而，在ayr1∆线粒体中，某些MIM底物（如Ugo1）的 输入 效率会出现下降。这一现象与线粒体磷脂组成变化有关： Ayr1缺失会降低磷脂酸（PA）含量，而PA被认为能够促进Ugo1的膜插入。

此外， Ayr1还在脂滴稳态调控中发挥重要作用。细胞缺失Ayr1时脂滴数量明显减少，而过表达Ayr1则会增加脂滴数量。进一步研究显示，Ayr1通过依赖Nem1的途径促进脂滴生物发生，并在脂肪酸合成受到抑制时对抗脂滴降解。总体而言， Ayr1通过调节线粒体磷脂组成，尤其是PA水平，从而促进脂滴形成并维持脂滴稳态 。

作者 随后检测了Ayr1对线粒体–脂滴接触位点形成的影响。过表达Ayr1时，脂滴相关蛋白（如Pdr16和Erg1）在分离的线粒体组分中显著增加，同时PA水平也出现中度升高。利用split-Venus活细胞接触探针实验进一步证实，Ayr1能够促进线粒体与脂滴之间接触位点的形成，而缺失Ayr1则明显削弱这一过程。此外,过表达Ayr1导致细胞中线粒体网络出现明显碎裂，并伴随生长缺陷，这一现象依赖Dnm1介导的线粒体分裂机制。值得注意的是，酶活性缺失的Ayr1突变体虽然仍能与MIM结合并定位于线粒体附近，但无法增加接触位点数量、脂滴总数或脂滴蛋白在线粒体中的富集。这表明 Ayr1的酶活性对于促进线粒体–脂滴接触位点形成以及维持脂滴稳态是必需的 。

Ayr1在细胞中分布于线粒体、内质网和脂滴等多个区室。研究发现，缺失Mim1会显著降低Ayr1在线粒体中的定位水平，说明MIM复合物（特别是Mim1）对于Ayr1的线粒体募集至关重要。在mim1∆细胞中，脂滴数量减少，与线粒体的关联也明显下降，同时脂滴降解速度加快。双敲除mim1∆和ayr1∆并不会进一步加重脂滴减少的表型，说明两者很可能在同一途径中调控脂滴稳态。转录组分析还显示，在碳源饥饿条件下，MIM1、AYR1和NEM1的表达水平会同步上调。因此， Mim1通过募集Ayr1至线粒体，正向调控脂滴稳态和线粒体–脂滴接触位点 。

进一步研究表明，Ayr1 C端包含一个关键的疏水片段（HyS），这一结构对于其线粒体定位至关重要。删除该片段后，Ayr1无法有效靶向线粒体，也不能增加脂滴数量或促进接触位点形成。当用Tom5跨膜结构替换HyS以增强线粒体定位时，虽然脂滴数量仅略有增加，但线粒体–脂滴接触位点显著增多，并导致线粒体网络碎裂。相比之下，将Ayr1重新锚定到内质网或脂滴则无法有效促进接触位点形成，说明 Ayr1必须通过其天然结构定位于线粒体外膜，才能发挥完整功能 。

结构分析进一步 证明， Ayr1并不是通过完全插入膜结构而锚定在线粒体，而是通过蛋白质相互作用与MIM复合物形成稳定复合体。其C端疏水片段形成一个α-螺旋发夹结构，两端均朝向细胞质，使Ayr1主体位于线粒体表面。将这一发夹结构突变为跨膜结构后，Ayr1会从MIM复合物中释放。功能实验还发现，过表达Ayr1会竞争性抑制部分MIM底物的 输入 ， 说明Ayr1与这些底物在MIM复合物上共享结合位点。这些结果提示， MIM复合物在细胞中可能存在功能分化：一部分复合体负责传统的外膜蛋白 输入 ，而另一部分则通过稳定结合Ayr1参与脂滴稳态调控和线粒体–脂滴接触位点的形成 。

综上所述，本研究揭示了一种 新的线粒体–脂滴连接机制 。 线粒体外膜的MIM 输入 复合体能够通过结合脂质代谢酶Ayr1，在两种细胞器之间建立稳定的接触结构。Ayr1不仅调控脂滴形成和脂质组成，还通过其与MIM的相互作用将脂滴锚定在线粒体表面 。这一发现表明， 线粒体蛋白 输入 机器不仅参与膜蛋白生物发生，还可以被“功能再利用”为细胞器互作的平台，从而协调细胞脂质代谢与细胞器组织结构 。

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

制版人： 十一

参考文献

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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