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Jul 31, 2023

Mecanismo estructural de remodelación de la membrana mitocondrial por OPA1 humana

Nature volumen 620, páginas 1101–1108 (2023)Cite este artículo 3393 Accesos a 45 detalles de Altmetric Metrics Distintas morfologías de la red mitocondrial respaldan diferencias metabólicas y regulatorias

Nature volumen 620, páginas 1101–1108 (2023)Cite este artículo

3393 Accesos

45 altmétrico

Detalles de métricas

Las distintas morfologías de la red mitocondrial sustentan procesos metabólicos y regulatorios divergentes que determinan la función y el destino celular1,2,3. La atrofia óptica 1 mecanoquímica de la GTPasa (OPA1) influye en la arquitectura de las crestas y cataliza la fusión de la membrana interna mitocondrial4,5. A pesar de su importancia fundamental, los mecanismos moleculares por los cuales OPA1 modula la morfología mitocondrial no están claros. Aquí, utilizando una combinación de análisis celulares y estructurales, iluminamos los mecanismos moleculares que son clave para la remodelación y fusión de membranas dependientes de OPA1. La OPA1 humana se incrusta en membranas que contienen cardiolipina a través de un dominio de paleta de unión a lípidos. Un bucle conservado dentro del dominio de la paleta se inserta profundamente en la bicapa, estabilizando aún más las interacciones con las membranas enriquecidas con cardiolipina. La dimerización de OPA1 a través del dominio de paleta promueve el ensamblaje helicoidal de una red OPA1 flexible en la membrana, que impulsa la fusión mitocondrial en las células. Además, el oligómero OPA1 que dobla la membrana sufre cambios conformacionales que sacan el bucle de inserción de la membrana de la valva exterior y contribuyen a la mecánica de remodelación de la membrana. Nuestros hallazgos proporcionan un marco estructural para comprender cómo la OPA1 humana da forma a la morfología mitocondrial y nos muestran cómo las mutaciones de enfermedades humanas comprometen las funciones de OPA1.

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Todos los datos crio-EM 3D que respaldan los hallazgos de este estudio se han depositado en el Banco de datos de microscopía electrónica con los códigos de acceso EMD-26977 y EMDB-26984. Las coordenadas del modelo se han depositado en el PDB con los códigos de acceso 8CT1 y 8CT9. Los datos de secuencia de proteínas para alineamientos de secuencias están disponibles en UniProt (consulte las leyendas de las figuras para conocer los códigos de acceso). Las secuencias de OPA1 utilizadas en este estudio son las siguientes: humano (UniProt: O60313), Chlorocebus sabaeus (mono verde; UniProt: A0A0D9R952), Macaca mulatta (macaco rhesus; UniProt: F6Y1N8), Pan troglodytes (chimpancé; UniProt: A0A2I3SKT2), ​​gorila Gorilla (Gorilla; Uniprot: G3S1U3), Pan Paniscus (Bonobo; Uniprot: A0A2R9BDG8), Papio Anubis (Baboon; UniProt: A0A096N399), Callithrix Jacchus (Marmoset; Uniprot: A0A2R8pc53), ORYYCTULAGUS (RABTULA (MARMOSET; : G1tab7), ictidomys tridecemlineatus (ardilla; UniProt: I3MI89), Cavia porcellus (conejillo de indias; UniProt: H0V6M3), Mus musculus (ratón; UniProt: P58281), Rattus norvegicus (rata; UniProt: Q2TA68), Canis familiaris (perro, UniProt: F1PK93), Vulpes vulpes (zorro colorado, UniProt: A0A3Q7T0T6), Felis catus (gato; UniProt: A0A337SN50), Ailuropoda melanoleuco (gato; UniProt: G1MBN4), Sus scrofa (cerdo; UniProt: A0A5G2QQR2), Loxodonta africana (elefante africano; UniProt: G3SNG0 ), Equus caballus (caballo; UniProt: F6Z2C8), Vicugna pacos (alpaca; UniProt: A0A6I9I1B0), Bos taurus (vaca; UniProt: E1BBC4), Capra hircus (cabra; UniProt: A0A452EKR4), Ovis aries (oveja; UniProt: A0A6P7D299), Desmodus rotundus (murciélago vampiro; UniProt: K9J3D6), Tursiops truncatus (delfín; UniProt: A0A2U4ACH9), Delphinapterus leucas (beluga ballena; UniProt: A0A2Y9MT19), Danio rerio (pez cebra; UniProt: Q5U3A7), Oncorhynchus masou (salmón; UniProt: O93248), Gallus gallus (pollo; UniProt: Q5F499) y Meleagris gallopavo (pavo salvaje; UniProt: G3UT81). Las versiones completas de todos los geles y transferencias se proporcionan en la figura complementaria 1. Los datos originales se proporcionan con este documento.

Wai, T. & Langer, T. Dinámica mitocondrial y regulación metabólica. Tendencias Endocrinol. Metab. 27, 105-117 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Quintana-Cabrera, R. & Scorrano, L. Determinantes y resultados de la dinámica mitocondrial. Mol. Celda 83, 857–876 (2023).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Eisner, V., Picard, M. & Hajnóczky, G. Dinámica mitocondrial en respuestas de estrés celular adaptativas y desadaptativas. Nat. Biol celular. 20, 755–765 (2018).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Olichon, A. y col. La pérdida de OPA1 perturba la estructura y la integridad de la membrana interna mitocondrial, lo que lleva a la liberación de citocromo c y apoptosis. J. Biol. Química. 278, 7743–7746 (2003).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Griparic, L., van der Wel, NN, Orozco, IJ, Peters, PJ y van der Bliek, AM La pérdida de la proteína del espacio intermembrana Mgm1/OPA1 induce hinchazón y constricciones localizadas a lo largo de las mitocondrias. J. Biol. Química. 279, 18792–18798 (2004).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Carlton, JG, Jones, H. & Eggert, EE.UU. Dinámica de membranas y orgánulos durante la división celular. Nat. Rev. Mol. Biol celular. 21, 151-166 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Stefan, CJ y cols. Dinámica de membranas y biogénesis de orgánulos: conductos lipídicos y portadores vesiculares. BMC Biol. 15, 102 (2017).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Aydin, H., Sultana, A., Li, S., Thavalingam, A. & Lee, JE Arquitectura molecular del espermatozoide humano IZUMO1 y el complejo de fertilización del óvulo JUNO. Naturaleza 534, 562–565 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Giacomello, M., Pyakurel, A., Glytsou, C. y Scorrano, L. La biología celular de la dinámica de la membrana mitocondrial. Nat. Rev. Mol. Biol celular. 21, 204–224 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kalia, R. et al. Base estructural de la unión y constricción del receptor mitocondrial por DRP1. Naturaleza 558, 401–405 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cao, Y.-L. et al. Las estructuras de MFN1 revelan una dimerización desencadenada por nucleótidos crítica para la fusión mitocondrial. Naturaleza 542, 372–376 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chan, DC Dinámica mitocondrial y su implicación en la enfermedad. Año. Rev. Pathol. Mec. Dis. 15, 235–259 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Alejandro, C. et al. OPA1, que codifica una GTPasa relacionada con dinamina, está mutada en la atrofia óptica autosómica dominante ligada al cromosoma 3q28. Nat. Gineta. 26, 211-215 (2000).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Delettre, C. y col. El gen nuclear OPA1, que codifica una proteína mitocondrial relacionada con la dinamina, está mutado en la atrofia óptica dominante. Nat. Gineta. 26, 4 (2000).

Artículo de Google Scholar

Cipolat, S., de Brito, OM, Dal Zilio, B. y Scorrano, L. OPA1 requiere mitofusina 1 para promover la fusión mitocondrial. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. EE.UU. 101, 15927–15932 (2004).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cogliati, S. y col. La forma de las crestas mitocondriales determina el ensamblaje de los supercomplejos de la cadena respiratoria y la eficiencia respiratoria. Celda 155, 160-171 (2013).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wai, T. y col. El procesamiento desequilibrado de OPA1 y la fragmentación mitocondrial provocan insuficiencia cardíaca en ratones. Ciencia 350, aad0116 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Herkenne, S. y col. La angiogénesis tumoral y del desarrollo requiere la proteína Opa1 que forma las mitocondrias. Metabolismo celular. 31, 987–1003 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Gómez-Valadés, AG et al. La proteína OPA1 remodeladora de crestas mitocondriales en las neuronas POMC combina la homeostasis del Ca2+ con la lipólisis del tejido adiposo. Metabolismo celular. 33, 1820–1835 (2021).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Chen, L. y col. Mutación OPA1 y miocardiopatía de aparición tardía: disfunción mitocondrial e inestabilidad del ADNmt. Mermelada. Asociación del Corazón. 1, e003012 (2012).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Zerem, A. et al. Accidente cerebrovascular metabólico en un paciente con mutaciones bialélicas en OPA1. Metab. Enfermedad cerebral. 34, 1043-1048 (2019).

Artículo PubMed Google Scholar

Bonneau, D. y col. Síndrome de Behr de inicio temprano debido a mutaciones heterocigotas compuestas en OPA1. Cerebro 137, e301 (2014).

Artículo PubMed Google Scholar

Carelli, V. y col. Parkinsonismo sindrómico y demencia asociados con mutaciones sin sentido en OPA1. Ana. Neurol. 78, 21–38 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Del Dotto, V. et al. Isoformas de OPA1 en la organización jerárquica de las funciones mitocondriales. Representante celular 19, 2557–2571 (2017).

Artículo PubMed Google Scholar

Mishra, P., Carelli, V., Manfredi, G. y Chan, DC La escisión proteolítica de Opa1 estimula la fusión de la membrana interna mitocondrial y combina la fusión con la fosforilación oxidativa. Metabolismo celular. 19, 630–641 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Anand, R. et al. La proteasa i-AAA YME1L y OMA1 escinden OPA1 para equilibrar la fusión y fisión mitocondrial. J. Biol celular. 204, 919–929 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ban, T., Heymann, JAW, Song, Z., Hinshaw, JE y Chan, DC Los alelos de la enfermedad OPA1 que causan atrofia óptica dominante tienen defectos en la hidrólisis de GTP estimulada por cardiolipina y en la tubulación de membrana. Tararear. Mol. Gineta. 19, 2113-2122 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Song, Z., Chen, H., Fiket, M., Alexander, C. y Chan, DC El procesamiento de OPA1 controla la fusión mitocondrial y está regulado por el empalme de ARNm, el potencial de membrana e Yme1L. J. Biol celular. 178, 749–755 (2007).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Glytsou, C. y col. La atrofia óptica 1 es epistática para el componente central de MICOS, MIC60, en el control de la forma de las crestas mitocondriales. Representante celular 17, 3024–3034 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cipolat, S. et al. PARL romboide mitocondrial regula la liberación de citocromo c durante la apoptosis a través de la remodelación de las crestas dependiente de OPA1. Celda 126, 163-175 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Prohibición, T. et al. Bases moleculares de la fusión mitocondrial selectiva por acción heterotípica entre OPA1 y cardiolipina. Nat. Biol celular. 19, 856–863 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhang, D. y col. Las estructuras crio-EM de S-OPA1 revelan sus interacciones con la membrana y cambios tras la unión de nucleótidos. eLife 9, e50294 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ge, Y. et al. Dos formas de Opa1 cooperan para completar la fusión de la membrana interna mitocondrial. eLife 9, e50973 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yu, C. y col. Conocimientos estructurales sobre la dimerización del dominio G y la mutación patogénica de OPA1. J. Biol celular. 219, e201907098 (2020).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Faelber, K. y col. Estructura y ensamblaje de la membrana mitocondrial remodelando la GTPasa Mgm1. Naturaleza 571, 429–433 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yan, L. y col. Análisis estructural de un ensamblaje trimérico de la GTPasa Mgm1 similar a la dinamina mitocondrial. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 117, 4061–4070 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rujiviphat, J. et al. La proteína de mantenimiento del genoma mitocondrial 1 (Mgm1) altera la topología de la membrana y promueve la flexión local de la membrana. J. Mol. Biol. 427, 2599–2609 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Faelber, K. y col. Estructura cristalina de dinamina libre de nucleótidos. Naturaleza 477, 556–560 (2011).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Low, HH, Sachse, C., Amos, LA y Löwe, J. La estructura de un tubo lipídico de proteína similar a la dinamina bacteriana proporciona un mecanismo para el ensamblaje y la curvatura de la membrana. Celda 139, 1342-1352 (2009).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramachandran, R. & Schmid, SL La detección en tiempo real revela que los efectores acoplan los cambios conformacionales dependientes de GTP de la dinamina a la membrana. EMBO J. 27, 27–37 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Daumke, O. y col. Conocimientos arquitectónicos y mecanicistas sobre una EHD ATPasa involucrada en la remodelación de membranas. Naturaleza 449, 923–927 (2007).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Low, HH & Löwe, J. Arquitectura Dynamin: del monómero al polímero. actual. Opinión. Estructura. Biol. 20, 791–798 (2010).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Gao, S. y col. Base estructural de la oligomerización en la región del tallo de MxA similar a dinamina. Naturaleza 465, 502–506 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Álvarez, FJD et al. La estructura crioEM de MxB revela una nueva interfaz de oligomerización crítica para la restricción del VIH. Ciencia. Adv. 3, e1701264 (2017).

Yu-Wai-Man, P. et al. La enfermedad neurológica multisistémica es común en pacientes con mutaciones OPA1. Cerebro 133, 771–786 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, T. y col. El complejo OPA1-mitofilina regulado por CHCHD10 media los fenotipos mitocondriales inducidos por TDP-43 asociados con la demencia frontotemporal. FASEB J. 34, 8493–8509 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chappie, JS y cols. Un modelo pseudoatómico del polímero dinamina identifica un golpe de poder dependiente de la hidrólisis. Celda 147, 209–222 (2011).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Antonny, B. y col. Fisión de membranas por dinamina: lo que sabemos y lo que necesitamos saber. EMBO J. 35, 2270–2284 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Studier, FW Producción de proteínas mediante autoinducción en cultivos agitados de alta densidad. Expr. de proteína Purif. 41, 207–234 (2005).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Ardail, D. y col. Sitios de contacto mitocondriales. Composición y dinámica de lípidos. J. Biol. Química. 265, 18797–18802 (1990).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bennett, JA, Steward, LR, Rudolph, J., Voss, AP y Aydin, H. La estructura del filamento LACTB humano revela los mecanismos de ensamblaje y unión a la membrana. PLoS Biol. 20, e3001899 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

von der Malsburg, A., Abutbul-Ionita, I., Haller, O., Kochs, G. y Danino, D. El dominio de tallo de la proteína MxA GTPasa similar a dinamina media la unión a la membrana y la tubulación de liposomas a través del bucle L4 no estructurado. J. Biol. Química. 286, 37858–37865 (2011).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Schindelin, J. y col. Fiji: una plataforma de código abierto para el análisis de imágenes biológicas. Nat. Métodos 9, 676–682 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Manicki, M. y col. Estructura y funcionalidad de un complejo humano multimérico COQ7:COQ9. Mol. Celda 82, 4307–4323 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Rohou, A. & Grigorieff, N. CTFFIND4: estimación de desenfoque rápida y precisa a partir de micrografías electrónicas. J. Estructura. Biol. 192, 216–221 (2015).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Zivanov, J. y col. Nuevas herramientas para la determinación automatizada de estructuras crio-EM de alta resolución en RELION-3. eLife 7, e42166 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Scholar

Mastronarde, DN Tomografía con microscopio electrónico automatizado que utiliza una predicción sólida de los movimientos de las muestras. J. Estructura. Biol. 152, 36–51 (2005).

Artículo PubMed Google Scholar

Zheng, SQ y cols. MotionCor2: corrección anisotrópica del movimiento inducido por el haz para mejorar la microscopía crioelectrónica. Nat. Métodos 14, 331–332 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

He, S. & Scheres, SHW Reconstrucción helicoidal en RELION. J. Estructura. Biol. 198, 163-176 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Shaikh, TR y cols. Procesamiento de imágenes SPIDER para la reconstrucción de macromoléculas biológicas en partículas individuales a partir de micrografías electrónicas. Nat. Protocolo. 3, 1941-1974 (2008).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Emsley, P., Lohkamp, ​​B., Scott, WG y Cowtan, K. Características y desarrollo de Coot. Acta Crystallogr. D 66, 486–501 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pettersen, EF y cols. UCSF Chimera: un sistema de visualización para investigación y análisis exploratorios. J. Computación. Química. 25, 1605-1612 (2004).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Liebschner, D. y col. Determinación de la estructura macromolecular mediante rayos X, neutrones y electrones: desarrollos recientes en Phenix. Acta Crystallogr. D 75, 861–877 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Alford, RF y cols. La función de energía de todos los átomos de Rosetta para el modelado y diseño macromolecular. J. química. Computación teórica. 13, 3031–3048 (2017).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Williams, CJ y cols. MolProbity: más y mejores datos de referencia para una mejor validación de la estructura de todos los átomos. Ciencia de las proteínas. 27, 293–315 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Jurrus, E. et al. Mejoras en el paquete de software de solvatación biomolecular APBS. Ciencia de las proteínas. 27, 112-128 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Krissinel, E. y Henrick, K. Inferencia de conjuntos macromoleculares a partir del estado cristalino. J. Mol. Biol. 372, 774–797 (2007).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Holm, L. & Rosenström, P. Servidor Dali: mapeo de conservación en 3D. Ácidos nucleicos res. 38, W545–W549 (2010).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Pettersen, EF y cols. UCSF ChimeraX: visualización de estructuras para investigadores, educadores y desarrolladores. Ciencia de las proteínas. 30, 70–82 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bui, KH y cols. Análisis estructural integrado del andamio del complejo de poros nucleares humanos. Celda 155, 1233-1243 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Leitner, A. y col. Ampliar la caja de herramientas de reticulación química mediante el uso de múltiples proteasas y enriquecimiento mediante cromatografía de exclusión por tamaño. Mol. Celúla. Proteoma. 11, M111.014126 (2012).

Bern, M., Kil, YJ y Becker, C. Byonic: software avanzado de identificación de péptidos y proteínas. actual. Protocolo. Bioinformar. 40, 13.20.1–13.20.14 (2012).

Artículo de Google Scholar

Combe, CW, Fischer, L. y Rappsilber, J. xiNET: mapas de redes de enlaces cruzados con resolución de residuos. Mol. Celúla. Proteoma. 14, 1137-1147 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Kosinski, J. y col. Xlink Analyzer: software para análisis y visualización de datos de entrecruzamiento en el contexto de estructuras tridimensionales. J. Estructura. Biol. 189, 177–183 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jo, S., Kim, T., Iyer, VG & Im, W. CHARMM-GUI: una interfaz gráfica de usuario basada en web para CHARMM. J. Computación. Química. 29, 1859–1865 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Abraham, MJ y cols. GROMACS: simulaciones moleculares de alto rendimiento mediante paralelismo multinivel desde portátiles hasta supercomputadoras. SoftwareX 1–2, 19–25 (2015).

ADS del artículo Google Scholar

Humphrey, W., Dalke, A. y Schulten, K. VMD: dinámica molecular visual. J. Mol. Grafico. 14, 33–38 (1996).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Fischer, CA y cols. MitoSegNet: segmentación de aprendizaje profundo fácil de usar para analizar la morfología mitocondrial. iCiencia 23, 101601 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sievers, F. y col. Generación rápida y escalable de alineamientos de secuencias múltiples de proteínas de alta calidad utilizando Clustal Omega. Mol. Sistema. Biol. 7, 539 (2011).

Robert, X. & Gouet, P. Descifrando características clave en estructuras de proteínas con el nuevo servidor ENDscript. Ácidos nucleicos res. 42, W320–W324 (2014).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ashkenazy, H. et al. ConSurf 2016: una metodología mejorada para estimar y visualizar la conservación evolutiva en macromoléculas. Ácidos nucleicos res. 44, W344–W350 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lee, J. & Lentz, BR Los defectos de empaquetamiento de las valvas externas promueven la fusión mediada por poli(etilenglicol) de grandes vesículas unilaminares. Bioquímica 36, ​​421–431 (1997).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

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Agradecemos a L. Doan por la preparación de reactivos; al personal del laboratorio de Microscopía Avanzada de la Fundación WM Keck de la Universidad de California, San Francisco, A. Myasnikov, D. Bulkley y Z. Yu por su ayuda con la recopilación de datos; E. Paraskevi Tsiolaki por su asistencia técnica en materia de fotometría de masas; P. Thomas por su apoyo computacional; E. Krause por su ayuda con la clasificación de células; S. Jungbluth por adquirir imágenes TEM de células; G. Morgan y C. Ozzello por la capacitación y el apoyo en microscopía electrónica; el personal de las instalaciones centrales del Shared Instrument Pool (SIP) (SCR_018986) del Departamento de Bioquímica de la Universidad de Colorado Boulder para el uso de la infraestructura de instrumentación de investigación compartida; A. Erbse por su ayuda con instrumentos biofísicos y apoyo; los integrantes del Núcleo de Microscopía Óptica Avanzada de Biofrontiers para el uso de microscopios confocales láser; J. Dragavon ​​por la capacitación y el apoyo; K. Luger y J. Rudolph por su apoyo y por compartir el lector de microplacas para los ensayos basados ​​en fluorescencia; M. Ford, K. Faelber, V. Gama y C. Hayes por leer el manuscrito; y a O. Daumke y a los miembros de los laboratorios Aydin y Kasinath por su asesoramiento técnico y debates. Este trabajo fue financiado en parte por la beca posdoctoral de la American Heart Association 23POST1020756 (para KEZ), el Premio de Investigación Biomédica Webb-Waring de la Fundación Boettcher (HA), una subvención del Instituto Nacional de Salud R35 GM150942 (para HA), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), Collaborative Centro de Investigación 894, proyecto A20 (a MvdL), una subvención del Instituto Nacional de Salud R01 GM127673 (a AF), una beca académica del HHMI (a AF) y una subvención colaborativa de biología estructural integradora QBI-FUN (a AF). AF es un antiguo investigador del Chan Zuckerburg Biohub.

Bioquímica Médica y Biología Molecular, Centro de Señalización Molecular, PZMS, Facultad de Medicina de la Universidad de Saarland, Homburg, Alemania

Alexander von der Malsburg y Martin van der Laan

Departamento de Bioquímica, Universidad de Colorado Boulder, Boulder, CO, EE. UU.

Gracie M. Sapp, Kelly E. Zuccaro, Jeremy A. Bennett y Halil Aydin

Departamento de Bioquímica y Biofísica, Universidad de California, San Francisco, San Francisco, CA, EE. UU.

Alexander von Appen, Frank R. Moss III y Adam Frost

Instituto Max Planck de Biología y Genética Celular Molecular, Dresde, Alemania

Alexander von Appen

Altos Labs, Instituto de Ciencias del Área de la Bahía, San Francisco, CA, EE. UU.

Frank R. Moss III y Adam Frost

Departamento de Fisiología, Universidad de California, San Francisco, San Francisco, CA, EE. UU.

Rahav Kalia

Instituto de Bioingeniería, Facultad de Ciencias de la Vida, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suiza

Luciano A. Abriata y Mateo Dal Peraro

Instalación central de producción y estructura de proteínas, Facultad de Ciencias de la Vida, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suiza

Luciano A. Abriata

Instituto Suizo de Bioinformática, Lausana, Suiza

Luciano A. Abriata y Mateo Dal Peraro

Chan Zuckerberg Biohub, San Francisco, California, EE. UU.

Adán escarcha

Instituto de Biociencias Cuantitativas, Universidad de California, San Francisco, San Francisco, CA, EE. UU.

Adán escarcha

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AvdM clonó las construcciones de OPA1 resistentes a ARNip y realizó experimentos de cultivo de células de mamíferos, preparó muestras para imágenes de microscopía de fluorescencia in vitro y realizó análisis, imágenes y análisis de inmunotransferencia. HA, GMS, KEZ y JAB realizaron clonación, mutagénesis, caracterizaciones bioquímicas y biofísicas, experimentos y análisis de EM con tinción negativa, crio-EM, determinaron las estructuras crio-EM y llevaron a cabo la construcción de modelos, el refinamiento y la validación de las estructuras crio-EM. . LAA y MDP realizaron simulaciones de dinámica molecular y análisis de datos. FRM ayudó con la preparación de liposomas y experimentos crio-EM. AvA ayudó con la preparación y el análisis de muestras de entrecruzamiento químico. RK contribuyó al análisis de imágenes crio-EM, la construcción de modelos y las discusiones. MvdL, AvdM, AF y HA diseñaron y supervisaron la investigación. Todos los autores analizaron los datos, discutieron los resultados y escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Adam Frost o Halil Aydin.

AF es accionista y empleado de Altos Labs y accionista y consultor de Relay Therapeutics. Los demás autores no declaran tener intereses en conflicto.

Nature agradece a Thomas Langer y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Utilizando un sistema de expresión de Escherichia coli recombinante, expresamos y purificamos S-OPA1 humana (residuos 252-960) en presencia de detergentes mediante cromatografía de filtración en gel y afinidad de Ni2+. a, Un cromatograma de exclusión por tamaño representativo del S-OPA1 humano. b, Construcciones de S-OPA1 purificadas en un gel SDS-PAGE teñido con azul de Coomassie. Realizado por triplicado técnico. c, el perfil de fotometría de masas de S-OPA1 humana libre de nucleótidos revela una masa molecular aparente de 82 σ 9,8 kDa, que corresponde a un estado monomérico. d, Gráfico de hidropatía de Kyte y Doolittle de la isoforma 1 de OPA1 humana de longitud completa. Las regiones hidrofóbicas correspondientes a la región transmembrana (TM) y el bucle de fusión se resaltan en azul y rojo, respectivamente. La línea roja indica la línea de base cero en la escala de hidropatía. e, Para evaluar el plegamiento adecuado y la dimerización dependiente de nucleótidos de S-OPA1 recombinante, incubamos la muestra con el análogo no hidrolizable GMPPCP, Mg2+ y K+. Luego, utilizando microscopía electrónica de transmisión de tinción negativa (TEM), observamos que S-OPA1 forma dímeros a través de interacciones del dominio GTPasa. Promedios representativos de clase EM 2D de tinción negativa de S-OPA1 humano a partir de los datos de tinción negativa recopilados en el microscopio Tecnai T12 equipado con una cámara CCD que muestra que las partículas tienen formas bien definidas con una arquitectura de dominio modular. El S-OPA1 humano monomérico forma dímeros del dominio G en presencia del análogo de GTP no hidrolizable GMPPCP.

a, Micrografía electrónica representativa con corrección de movimiento de filamentos de S-OPA1 unidos a nanotubos de membrana. b, Galería de promedios de clases 2D calculados a partir de datos crio-EM que muestran los monómeros S-OPA1 ensamblados en la superficie de nanotubos lipídicos enriquecidos con cardiolipina. c, g, En la vista superior se muestran cortes a través del mapa de densidad sin enfoque en distintos niveles. d, h, Distribución angular del filamento S-OPA1 unido a la membrana para todas las imágenes de partículas incluidas en el cálculo de la reconstrucción 3D final de las conformaciones de la membrana proximal (d) y de la membrana distal (h). e, i, curvas del coeficiente de capa de Fourier (FSC) (umbral de 0,143) entre dos medios mapas refinados de forma independiente antes y después del posprocesamiento. f, j, Los mapas finales de densidad electrónica en 3D de ambas estructuras están coloreados según la resolución local y se muestran en cortes horizontales y verticales a través de densidades crio-EM. ResMap calculó la resolución local.

Los detalles se pueden encontrar en la sección de análisis de imágenes y reconstrucción 3D de Métodos.

a, b, El entrecruzamiento químico y la espectrometría de masas revelan mapas de interacción proteína-proteína (PPI) de los polímeros S-OPA1 humanos. Gráfico circular que muestra la distribución de los enlaces cruzados químicos DSG (a) y DSS (b) asignados a OPA1 humano representado como círculos coloreados con posiciones de aminoácidos etiquetadas. Las barras naranjas indican las posiciones de los residuos de lisina y los enlaces cruzados que conectan los residuos de lisina están representados por líneas negras entre los pares de aminoácidos correspondientes. c, Enlaces cruzados que se obtienen (rojo) en el polímero S-OPA1 tras la unión a la membrana. Los enlaces cruzados intermoleculares identificados se mapean en las subunidades S-OPA1. CX-MS revela un grupo de contactos entre los dominios de paletas de S-OPA1, lo que indica fuertes interacciones en la conformación unida a la membrana. d, Enlaces cruzados entre todos los dominios OPA1. Los dominios están organizados según una secuencia (bloques de colores). Los enlaces cruzados DSG (rojo) y DSS (azul) que satisfacen la restricción de distancia (30 Å) se asignan a la estructura crio-EM unida a membrana de la S-OPA1 humana. Los enlaces cruzados identificados en los conjuntos de datos DSG y DSS se muestran en violeta.

a, Densidad EM del monómero S-OPA1 aislado de mapas posprocesados ​​que muestran la calidad, la construcción y el ajuste del mapa. Una vista única de la densidad crio-EM se representa como una malla semitransparente y se superpone al modelo. Se muestran ejemplos de ajuste del modelo dentro de la densidad crio-EM mejorada del factor B para las hélices alfa de S-OPA1 BSE (rojo), tallo (azul), paleta (verde) en el contexto del modelo atómico con cadenas laterales. como palos y la columna vertebral como cintas. b, Un análisis comparativo del S-OPA1 humano con las estructuras de levadura depositadas en el PDB utilizando el servidor de comparación independiente de topología CLICK reveló que la estructura S-OPA1 muestra una topología similar para los dominios GTPasa, BSE y tallo; sin embargo, el dominio de paleta adopta una arquitectura novedosa con la adición de la hélice α3P, que facilita la formación de la interfaz 7. Comparación estructural de la conformación proximal a la membrana de S-OPA1 humano (beige) con S. cerevisiae (Pink, PDB ID: 6JSJ ) y C. thermophilum (azul claro, PDB ID: 6QL4) Estructuras cristalinas de Mgm1. En general, la conformación proximal a la membrana de S-OPA1 humana y S. cerevisiae Mgm1 se alinea con un rmsd de 8,46 Å, y S-OPA1 humana y C. thermophilum Mgm1 se alinean con un rmsd de 10,30 Å sobre todos los átomos de Cα. c, Superposición de la conformación distal de la membrana de las estructuras Mgm1 humana S-OPA1 (beige), S. cerevisiae (rosa) y C. thermophilum (azul claro). En general, la conformación distal de la membrana del S-OPA1 humano se superpone con S. cerevisiae Mgm1 y C. thermophilum Mgm1 con un rmsd de ~ 7,3 Å sobre todos los átomos de Cα. d, Alineamiento de secuencias múltiples de S-OPA1 humana, S. cerevisiae S-Mgm1 y C. thermophilum S-Mgm1. Existe una conservación de secuencia de ~21% entre las proteínas humanas y de levadura. La mayoría de los residuos implicados en la unión a las membranas no se conservan (resaltados con un asterisco).

Para obtener más información sobre el mecanismo molecular de la remodelación de membrana mediada por OPA1, reconstituimos el ensamblaje del polímero S-OPA1 humano en presencia de GMPPCP y membranas enriquecidas con CL. Micrografías electrónicas con tinción negativa que muestran la unión de liposomas y la actividad de remodelación de S-OPA1 de tipo salvaje y mutante en liposomas y nanotubos de membrana enriquecidos con cardiolipina. S-OPA1 forma filamentos bien ordenados que se envuelven alrededor de los túbulos de la membrana. Se incubaron proteínas mutantes y de tipo salvaje con liposomas y nanotubos de membrana durante cuatro horas a temperatura ambiente antes de la preparación de la rejilla. Las mutaciones en residuos hidrofóbicos y cargados positivamente dentro de la región de acoplamiento de la membrana, el bucle de inserción de la membrana (MIL), la superficie orientada a la membrana y la interfaz 7 dieron como resultado defectos graves en la unión de la membrana y la actividad de remodelación de la S-OPA1 humana. Vistas en primer plano de liposomas y nanotubos de membrana seleccionados. Las imágenes fueron tomadas por triplicado técnico. Barras de escala, 100 nm.

a, geles SDS-PAGE representativos que muestran la sedimentación de S-OPA1 WT y mutantes en presencia y ausencia de liposomas enriquecidos en CL. Las muestras se derivaron del mismo experimento y se analizaron utilizando múltiples geles en paralelo. P, pellet; S, sobrenadante; PESO, tipo salvaje; MIL, bucle de inserción de membrana. b, c, Cuantificación en gel que representa la cantidad relativa de S-OPA1 (%) para fracciones de sedimento y sobrenadante sin liposomas (b) y con liposomas (c) en los ensayos de cosedimentación. Los gráficos de barras representan la cuantificación de las bandas de proteínas teñidas con Coomassie de tres réplicas biológicas y se expresan como media ± sem. Se realizaron pruebas t no apareadas de dos colas en cada variante de S-OPA1 comparando el sedimento con el sobrenadante. P < 0,0001 (****); P = 0,0002(***) o P = 0,0003(***); P = 0,001 (**); P = 0,01 (*); ns, no significativo.

Datos fuente

a, Imágenes de microscopía de fluorescencia de mutantes de tipo salvaje (WT), acoplamiento de membrana (K738E, R858E), bucle de inserción de membrana (W771A, W775A, L776A, K779E) y enfermedad (R781E, R824E) en análisis de morfología mitocondrial. Las células HeLa se transfectaron con un vector vacío (EV) o las construcciones OPA1 resistentes a ARNip indicadas durante 24 h y luego se sometieron a interferencia de ARN utilizando los ARNip indicados durante 72 h. La red mitocondrial se visualizó mediante tinción para la proteína de la membrana externa TOMM22 (verde) y se utilizó mCherry-NLS cotransfectada (rojo) para identificar las células transfectadas. Realizado por triplicado biológico. Barra de escala, 20 µm. b, La expresión y estabilidad de las proteínas OPA1 resistentes a ARNip se evaluaron mediante análisis de inmunotransferencia de extractos Triton X-100 derivados de células HeLa transfectadas con un vector vacío (EV) o las construcciones de OPA1 resistentes a ARNip indicadas 24 h antes del tratamiento con los ARNip indicados. durante 72h. 20 µg por carril (n = 3 experimentos independientes). c, Cuantificación de imágenes de microscopía de tipo salvaje, vector vacío (EV) y mutantes. Fenotipos mitocondriales observados en células HeLa que expresan transitoriamente variantes de OPA1 humana como se describe en a. Células que expresan el ARNip EV de control (n = 280), ARNip EV de OPA1 (n = 269 células), OPA1 de tipo salvaje (n = 238 células), OPA1 K738E (n = 235 células), OPA1 W771A (n = 281 células) , OPA1 W775A (n = 264 células), OPA1 W776A (n = 255 células), OPA1 K779E (n = 282 células), OPA1 R858E (n = 245 células), OPA1 R781E (n = 262 células) y OPA1 R824E ( n = 283 células) en tres réplicas experimentales. Los puntos de datos representan el porcentaje promedio de células en tres réplicas experimentales. Las barras de error indican sem d, mutaciones de OPA1 humana asociadas con atrofia óptica, ataxia cerebelosa y otras enfermedades asignadas al dominio de paleta de OPA1 como esferas sólidas y numeradas. Vistas posterior y lateral de la estructura molecular del LBD S-OPA1 humano (coloreado en verde).

Datos fuente

a, el área de superficie mitocondrial (μm2) se calculó a partir de secciones ultrafinas de células transfectadas con vector vacío de ARNip (EV) de control (n = 312), EV de ARNip de OPA1 (n = 444), WT de OPA1 (n = 543), membrana de OPA1. mutante de bucle de inserción (MIL) (n = 523) y OPA1 K819E (n = 516). El error estándar de la media se informa con la media de cada conjunto de datos (n = 3 triplicados técnicos). Debido a la variación en los números para cada conjunto de datos, se utilizó la prueba estadística de Mann-Whitney de dos colas para calcular la significación estadística entre el ARNip EV de control y cada otra muestra. P < 0,0001 (****). b, Cuantificación del número de crestas por mitocondria. El número medio de crestas se calculó y se informó con el error estándar de la media para cada muestra (n = 3 triplicados técnicos). El ARNip EV de control y otras muestras se sometieron a una prueba de Mann-Whitney de dos colas para determinar la significación estadística. P = 0,0176 (*); P < 0,0001 (****). c, Cuantificación de la morfología mitocondrial en células WT y OPA1 mutantes. La forma mitocondrial se asignó a cuatro clases diferentes: ovalada, elipsoidal, poligonal o alargada, y la distribución relativa de cada forma se informó como un gráfico de barras. El porcentaje de cada forma se informa para cada muestra. d, Cuantificación de la morfología de las crestas en células WT y OPA1 mutantes. Un gráfico de barras que representa la distribución de cuatro morfologías de crestas diferentes (normal, hinchada, corta o desordenada) observadas en las muestras respectivas como porcentajes. e, Imágenes TEM representativas de la mitocondria que muestran diferentes tipos de morfología de crestas asignadas a cuatro clases: normal, hinchada, corta y desordenada. Las imágenes fueron tomadas por triplicado técnico. Barra de escala, 500 nm.

Datos fuente

a, Imágenes representativas de microscopía fluorescente muestran la co-localización de WT S-OPA1 marcado con Alexa Fluor 488 en los liposomas que contienen Texas Red-DHPE después de aproximadamente 30 minutos. Experimentos realizados por triplicado técnico. Barra de escala, 0,5 µm. b, Ensayos de deformación de membrana con WT S-OPA1 y liposomas que contienen 0,25% de Rojo Nilo; n = 5 experimentos biológicamente independientes y expresados ​​como media, barras de error como ± sem. El análisis estadístico se realizó utilizando una prueba t de Student de dos colas no apareada (P = <0,0001, ****), y la prueba de Grubbs eliminó un valor atípico de cada conjunto de datos. cf. Análisis TEM con tinción negativa de ensayos de reconstitución de membrana con c, S-OPA1 solo; d, liposomas con 0,25% de rojo Nilo solo; e, BSA con liposomas que contienen 0,25% de Rojo Nilo; yf, WT S-OPA1 con liposomas que contienen 0,25% de rojo Nilo. g, ensayo de deformación de membrana con WT S-OPA1 y liposomas que contienen NBD-PC al 1%; n = 5 experimentos biológicamente independientes y expresados ​​como barras de error promedio como ± sem. Se realizó una prueba t de Student de dos colas no apareada en el conjunto de datos NBD-PC (P = <0,0001, ****). h, liposomas con NBD-PC al 1% solo; i, BSA con liposomas que contienen NBD-PC al 1%; y j, WT S-OPA1 con liposomas que contienen NBD-PC al 1%. Vista en primer plano insertada de liposomas seleccionados a partir de imágenes TEM con tinción negativa. Barra de escala, 100 nm. Se ha propuesto que las perturbaciones de las valvas externas de las grandes vesículas unilaminares (LUV) que contienen CL dan como resultado la fusión de vesículas82. Además, la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la microscopía de fluorescencia han revelado que la incubación de levadura S-Mgm1 con liposomas marcados da como resultado una mayor “rugosidad” de la membrana en la superficie de los liposomas37. Estas observaciones indican que el ortólogo de levadura Mgm1 puede utilizar un mecanismo similar para alterar las propiedades de la membrana. En conjunto, nuestros análisis estructurales y funcionales sugieren que las perturbaciones de las valvas mediadas por OPA1 respaldan la actividad de remodelación de la membrana de la proteína. Observamos que estas conclusiones se basan en nuestro conocimiento estructural actual y se limitan a lípidos en membranas sintéticas y ensayos de reconstitución in vitro. Aún no se sabe hasta qué punto estos hallazgos se aplican a la remodelación de la membrana mitocondrial en células humanas. Nuestro trabajo proporciona la base para seguir estudiando los complejos mecanismos que regulan la morfología y función mitocondrial.

Datos fuente

Higos suplementarios. 1–9 y tabla complementaria 1.

Datos sin procesar detrás de la figura complementaria 3f.

Datos sin procesar detrás de la figura complementaria 4f.

Datos sin procesar detrás de los análisis de segmentación de MitoSegNet en la figura complementaria 5.

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Reimpresiones y permisos

von der Malsburg, A., Sapp, GM, Zuccaro, KE et al. Mecanismo estructural de remodelación de la membrana mitocondrial por OPA1 humana. Naturaleza 620, 1101-1108 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06441-6

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Recibido: 22 de agosto de 2022

Aceptado: 14 de julio de 2023

Publicado: 23 de agosto de 2023

Fecha de emisión: 31 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06441-6

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