6月8日，國際學術期刊EMBO JOURNAL在線發(fā)表了中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心歐陽波團隊與美國Oklahoma大學健康科學中心的林家凌團隊、加拿大Sunnybrook研究院的David W. Andrews團隊的合作研究論文“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解析了促凋亡蛋白Bax的核心結構域在脂雙分子層膜上的精確三維結構，并通過結構指導基因突變和體外活性研究證明了該結構在線粒體膜Bax成孔過程中的關鍵功能。該研究促進了人們對蛋白在膜上成孔的分子機制的理解。
細胞凋亡是維持細胞數(shù)量動態(tài)平衡的重要手段，凋亡失常將導致許多疾病的發(fā)生。Bax是一個關鍵的促細胞凋亡蛋白，在調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胞基質中。當細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，釋放細胞色素C，從而啟動凋亡程序。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而促進細胞凋亡的，長期以來沒有得到解答。
歐陽波團隊通過核磁共振技術首次解析了Bax的核心結構域α2-α5雙體在脂雙分子層類膜體系中的精準三維結構，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鍵氨基酸。
根據該核磁結構，林家凌團隊制備了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，并用脂質體熒光色素釋放實驗來檢測Bax是否還能形成孔洞，結果表明這些突變體都顯著地降低了Bax的破膜活性；David W. Andrews團隊進一步在細胞中進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。以上這些結構和功能實驗揭示了細胞凋亡蛋白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。分子細胞卓越中心歐陽波研究員，美國Oklahoma大學健康科學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、中國科學院、國家自然科學基金等的資金支持。該研究還得到國家蛋白質科學研究（上海）設施核磁系統(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）和側貼于脂雙層膜的放大圖（右）
