线粒体是双层膜结构细胞起，以内膜内陷成嵴作为其独特的标志，线粒体随时变幻着它或“线”或“粒”的空间形态，这种形态变幻源自于由动力蛋白超家族所调控的线粒体分裂（fission）与融合（fusion）的动态平衡，在动态变化中调节着细胞功能、能量代谢和细胞命运。在众多线粒体动态变化调节因子中，机械化学GTP酶OPA1（optic atrophy 1）是至关重要的一个（图1），OPA1在体内以两种形式存在：位于线粒体内膜上的跨膜长形式l-OPA1与线粒体内膜蛋白水解产生的短的可溶性形式s-OPA1。OPA1催化线粒体内膜的融合并调节线粒体嵴重塑过程，对于骨骼肌、血管、神经元等分化细胞的形成和功能产生巨大影响【1,2】。
图1. 线粒体融合图解、s-OPA1序列图及其GDP-AlFx模型
显性视神经萎缩是导致小朋友失明的主要原因之一，其中约60-80%的起因是OPA1基因突变，OPA1基因突变会导致线粒体内膜和外膜在GTP酶介导的线粒体融合过程中失去稳态结构【3】。OPA1的八种异构体都含有响应膜去极化的切割位点，这些切割事件导致l-OPA1和s-OPA1的比例不断变化，从而调节线粒体形态和功能【4】，尽管OPA1的重要性毋庸置疑，但其调节线粒体形态的分子结构机制并不清楚。
近日，在Nature杂志上发表了两篇解析线粒体功能障碍结构机制的背靠背研究论文，一篇是来自美国国立卫生研究院的Jenny E. Hinshaw研究小组发表的题为OPA1 helical structures give perspective to mitochondrial dysfunction的研究论文，另一篇是来自美国科罗拉科罗拉多大学的Halil Aydin研究小组和美国加州大学旧金山分校Adam Frost研究小组合作发表的题为OPA1 helical structures give perspective to mitochondrial dysfunction的研究论文，这两篇文章使用冷冻电子显微镜细胞结构分析了存在和不存在核苷酸的情况下组装在脂质膜管上的OPA1的螺旋结构，阐明了OPA1依赖性膜重塑和线粒体融合的关键分子机制，从结构角度揭示了人类疾病中线粒体功能障碍的发生原因。
首先，作者使用冷冻电子显微镜观察了存在和不存在核苷酸（GDP-AlFx）的情况下，s-OPA1在脂质膜管上组装的螺旋结构，与动力蛋白超家族的结构特征一致【5】，螺旋组装体形成了致密的蛋白质梯级并显示出GTP酶结构域核苷酸依赖性二聚化。尽管总体结构上与动力蛋白超家族成员一致，但s-OPA1具有自己独特的地方，包括扭结柄、N末端卷曲螺旋近膜连接体和心磷脂特异性桨结构域，s-OPA1的桨状结构域独特的二级结构加强了它与膜的结合。这些结构特征揭示了致病点突变对蛋白质折叠、蛋白质间组装和膜相互作用的影响。
s-OPA1结构表明桨结构域中存在独特的脂质结合基序，人OPA1通过脂质结合桨状结构域嵌入含有心磷脂的膜中。核苷酸结合后增加的膜相互作用是由GTPase结构域的二聚化所驱动的，导致桨状结构域内的保守环深入双分子层，并进一步稳定了与富含心磷脂膜的相互作用。OPA1结构域的结构灵活性表明OPA1蛋白型能够适应不同的构象并识别负弯曲表面，基于此，作者提出了GTPase通过插入和移除桨状结构域来调节线粒体形态的独特见解。
在OPA1中具有点突变的238个位点中，s-OPA1结构模型使作者预测出了显性视神经萎缩患者的86个致病突变，这84个突变大多位于s-OPA1膜结合位点或或螺旋组装区域内，可能会干扰蛋白质的折叠和低聚化，这些位点和区域的组装对于OPA1突变致病非常重要。
桨状结构域相互作用的功能重要性在于克服局部膜弯曲所需的大能量屏障，通过桨状结构域的OPA1二聚化促进了膜上柔性OPA1晶格的螺旋组装，最终驱动细胞内线粒体内膜的融合。此外，八种OPA1亚型以及l-和s-蛋白都包含桨状结构域界面的α3P螺旋，膜弯曲的OPA1寡聚体发生构象变化，将膜插入环从外小叶（leaflets）中拉出来，促进了膜重塑。这些发现为理解人OPA1如何塑造线粒体形态提供了结构框架。
总而言之，l-OPA1和s-OPA1协同催化膜融合。OPA1介导的线粒体内膜融合过程中，s-OPA1及其桨状结构在驱动线粒体内膜融合中起主要作用。线粒体内膜锚定的l-OPA1分子跨膜结构域提供了OPA1到融合位点的初始定位，启动了膜重塑，并募集可溶性s-OPA1快速聚合成包裹线粒体内膜的柔性圆柱形支架，启动内膜形成中等曲率的小管，随后产生弯曲应力，产生易于融合的不稳定膜，膜的进一步管状化使两个双层合并（图2）。
结构基础鉴定完毕后，作者进行了细胞实验，发现OPA1野生型细胞的线粒体主要呈现线状形态，转染OPA1-GFP突变体细胞的线粒体主要呈现粒状形态。破坏OPA1组装界面和膜结合的突变会导致线粒体破裂，即便是少量的OPA1突变也会通过影响OPA1的功能导致线粒体形态发生改变，这些结果将结构变化与生物学特征关联了起来。
综上所述，作者通过OPA1结构分析，结合细胞实验，揭示了OPA1如何塑造脂质膜从而影响线粒体形态，OPA1结构加深了对线粒体内膜融合机制的了解，并为解析OPA的高阶组装如何影响显性视神经萎缩等疾病奠定了结构基础。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06462-1
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06441-6
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2. Gómez-Valadés, A. G. et al. Mitochondrial cristae-remodeling protein OPA1 in POMC neurons couples Ca2+ homeostasis with adipose tissue lipolysis. Cell Metab. 33, 1820–1835 (2021).
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