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線粒體內膜蛋白OMA1

瀏覽次數:169      日期:2019年09月24日 14:21

線粒體是細胞的主要供能細胞器,有“能量工廠”之稱,也參與磷脂合成和氨基酸代謝等生化反應,同時還參與鈣離子的儲存和調節、細胞增殖、細胞分化及細胞死亡等活動。線粒體通過分裂、融合的動態平衡構成線粒體網絡(如圖1所示),也就是常說的線粒體動力學,是線粒體質量調控的重要方式[1],也一直是線粒體相關研究的熱點與難點。

The function of mitochondrial network

Figure 1. The function of mitochondrial network

OMA1,是一種由OMA1基因表達,不依賴于ATP的鋅離子金屬蛋白酶,也是一種氧化還原依賴性蛋白,有多次跨膜結構域和鋅指結合基序,位于線粒體內膜。目前說法比較一致的是,OMA1可以通過調控內膜蛋白OPA1蛋白(OPA1屬于核基因,編碼的蛋白是線粒體內源發動蛋白,是線粒體塑形蛋白家族的成員,蛋白位于線粒體內膜,是調節線粒體內膜融合的重要蛋白)的水解,起到控制細胞線粒體分裂和融合的動態平衡[2]。而進一步闡明線粒體蛋白酶OMA1的作用機理對于探明許多疾病的發病機制有著重要的意義。在本篇文章中,我們主要從結構、功能、調節和相關疾病4個方面詳細介紹了線粒體蛋白酶OMA1。

 

1. OMA1結構

毕尔巴鄂旅游攻略 www.wvrzzx.com.cn 金屬蛋白酶OMA1是由OMA1基因編碼的線粒體內膜蛋白,該基因包含9外顯子,位于染色體1p32.2-p32.1上,如圖2所示:

The location of MOA1 gene

Figure 2. The location of MOA1 gene

人蛋白金屬內切酶OMA1由524個氨基酸組成,其中包含了位于1-13的氨基酸的信號肽,分子量大小為60.1 kDa,成熟OMA1蛋白理論上的pI為8.44[3]。該蛋白之所以被稱為OMA1,是因為它與m-AAA蛋白酶具有重疊活性[4]。OMA1的人類直系同源基因是MPRP-1,起初認為是在內質網,從2003年才開始受關注。在證實OMA1線粒體定位的兩項研究中同時也描述了哺乳動物的同源物N端有長度為170個氨基酸的延伸氨基末端,這可能會對高等生物的拓撲結構產生影響[5]。目前必須在生物化學上建立這種多跨膜蛋白的拓撲結構,并定位催化位點以更好地理解其調節。

 

2. OMA1功能

線粒體內膜上有兩種AAA蛋白酶,分別是i-AAA和m-AAA蛋白酶。i-AAA蛋白酶的催化結構域面向膜間隙,而m-AAA的活性中心在線粒體基質側。前文已提到,OMA1與m-AAA蛋白酶具有重疊的蛋白水解活性。但是,OMA1與m-AAA蛋白酶一樣,并不完全調節模型底物Oxa1的轉換。相反,OMA1僅產生N-和C-末端蛋白水解片段。大量研究證實,當線粒體失去膜電位或ATP時,OMA1可降解哺乳動物線粒體內膜融合蛋白OPA1。這種誘導型蛋白水解作用是蛋白水解失活OPA1的主要調節機制[6][7]。

另外,有研究表明,在OMA1缺失的條件下,OPA1在S1位點的剪切出現障礙,但線粒體的形態沒有受到很大的影響,但在壓力刺激下,線粒體出現片段化,需要OMA1剪切OPA1(注意,這里的S1位點是OPA1 mRNA的剪切位點,會在后面的OMA1/OPA1調控機制中詳細介紹)。OMA1缺陷鼠可以存活,但會患飲食導致的肥胖癥,并且機體的生熱作用異常,這預示著在維持代謝平衡時,OMA1對OPA1的剪切起著重要作用[8]。

 

3. OPA1-OMA1調控機制

哺乳動物的OPA1在許多細胞活動中起著作用,如構筑線粒體嵴、凋亡抑制、維持mtDNA完整性和氧化磷酸化等,這些活動又與線粒體動力學相互影響。OPA1的生物合成,受到轉錄和翻譯2個水平的調控。在哺乳動物中OPA1有許多的剪接體。OPA1 pre-mRNA在外顯子4、4b和5b處選擇性剪接,可產生有組織特異性的8種mRNA來編碼OPA1,而且這些不同形式的OPA1剪接體有不同的功能。這些mRNA編碼的多肽,除了含有線粒體基質蛋白酶MPP剪切位點外(切除線粒體引導序列),都含有S1剪切位點,有些多肽的C端含有S2剪切位點。S1、S2位點的剪切發生在外顯子5或5b所編碼的肽段序列,使得OPA1失去跨膜結構域。從理論上推測,任何一條mRNA經翻譯后,都可以產生一條長OPA1(L-OPA1,只在MPP位點剪切)和一條或更多條短OPA1 (S-OPA1,在Sl或S2位點剪切) [9]。

相關研究表明,線粒體內膜蛋白酶OMA1及i-AAA蛋白酶YMElL分別在S1和S2位點剪切OPA1。L-OPA1可以被不同的誘導性蛋白酶剪切。L-OPA1定位在線粒體內膜上,S-OPA1定位在線粒體膜間隙。在應激條件下,如線粒體膜電勢降低、ATP缺陷、凋亡等均可誘導L—OPA l的剪切。這種剪切是快速并徹底的,使OPAl完全失活。

如圖3A所示,在正常生理條件下,m-AAA蛋白酶AFG3L2與 pre-pro-OMA1相互作用并切割生成pro-OMA1。產生的pro-OMA1數量可進一步受i-AAA蛋白酶YME1L1活性調節,避免其積累,此外,OMA1和YME1L1可進一步對OPA1(分別在S1和S2位點)進行剪切以確保了L-OPA1與S-OPA1兩種形式之間的平衡。OMA1跨膜結構域的黃色矩形表示停止m-AAA修剪的亮氨酸延伸。

相比之下,圖3B表示的是沒有AFG3L2(m-AAA)的情況,此時pre-pro-OMA1到 pro OMA1的轉化效率最小,會引起廣泛的細胞器損傷,包括呼吸復合物的組裝缺陷、ROS產生、ATP消耗和內膜前抑制應激[10],這些應激反應會激活其他蛋白酶調控的緊急通路來活化OMA1和線粒體斷裂的下游作用。圖3C表示的是YME1L1缺失的情況,這種情況和由此產生的pro-OMA1積累,導致的效果是一樣的。這會增強其自催化活性,并且再次誘導線粒體斷裂??悸塹絆MA1在線粒體融合-裂變穩態中的關鍵作用,可以想象需要多種替代效應物,包括AFG3L2、YME1L1和OMA1本身,以及Δφ,以維持這種關鍵應激傳感蛋白的有效微調[11]。

The possible mechanism of OMA1/OPA1

Figure 3. The possible mechanism of OMA1/OPA1

 

4. OMA1與疾病

前面已經提到OMA1目前比較公認的作用是水解OPA1蛋白。而OPA1是線粒體內源發動蛋白,在許多細胞活動中起著作用,如線粒體嵴的構筑、凋亡抑制、mtDNA完整性的維持、氧化磷酸化的維持等。人體在應激反應后,蛋白酶OMA1活化會過度水解OPA1,然后促進線粒體斷裂,如果持續,則會引發體內細胞死亡和組織變性,繼而引發一系列疾病,如常染色體視神經萎縮(DOA)、巴特綜合征、神經退行性疾病和癌癥等[12][13]。這里,我們著重介紹神經退行性疾病與癌癥。

4.1 OMA1與神經退行性疾病

Anne Korwitz[14]等人利用抑制素膜支架缺失建立神經退行性疾病模型小鼠。在該小鼠模型中,作者證實了應激反應下OMA1對OPA1的水解能夠促進神經元死亡和神經炎癥反應,而且 OMA1的缺失可以延遲神經元丟失并延長模型組小鼠的壽命。同時這也伴隨著L-OPA1的累積,這種形式的OPA1可以穩定線粒體基因組,但是不能在抑制素耗盡的神經元中維持線粒體嵴的形態及呼吸鏈復合物組裝狀態。所以L-OPA1可以獨立于嵴形狀促進神經元存活。這個結論在抑制素膜支架缺失的情況下也得到了證實。

4.2 OMA1與癌癥

癌癥細胞中存在“瓦伯格效應”(the Warburg effect)。因為腫瘤和正常成體組織存在著代謝差異,它們主要通過糖酵解產能,同時大量生成乳酸,這種代謝性質使得腫瘤細胞的耗糖速度遠大于正常細胞[15]。這種腫瘤細胞對糖酵解通路產能依賴增強的現象被稱為瓦伯格效應,該效應會極快地促進細胞增生和腫瘤生長。以瓦伯格效應進行代謝為主的癌癥細胞,線粒體的嵴會減少[16],而OPA1也會減少,但OMA1會增多。此外,Marcel V. Alavi在BAX和BAK1依賴性細胞死亡的背景下將蛋白質OMA1和OPA1與抑制素和p53連接,建立線粒體外膜透化和細胞色素c釋放的模型。該模型的核心是線粒體內膜蛋白酶OMA1,實驗也證實OMA1在腫瘤環境中被激活,這也是新型個性化癌癥療法的藥物靶點代表之一。

References

[1] Marcel V. Alavi. Targeted OMA1 therapies for cancer [J]. Int J Cancer. 2019 Feb 4.

[2] Pedro M. Quirós, Andrew J. Ramsay, et al. New roles for OMA1 metalloprotease from mitochondrial proteostasis to metabolic homeostasis [J]. Adipocyte. 2013, 2:1, 7–11.

[3] Kozlowski LP. IPC - Isoelectric Point Calculator [J]. Biology Direct. 2016, 11 (1): 55.

[4] Kaser, M., Kambacheld, M., et al. Oma1, a novel membrane-bound metallopeptidase in mitochondria with activities overlapping with the m-AAA protease [J]. J. Biol. Chem. 2003, 278, 46414–46423.

[5] Bao, Y.C., Tsuruga, H., et al. Identification of a human cDNA sequence which encodes a novel membrane-associated protein containing a zinc metalloprotease motif [J]. DNA Res. 2003, 10, 123-128.

[6] Ehses S, Raschke I, et al. Regulation of OPA1 processing and mitochondrial fusion by m-AAA protease isoenzymes and OMA1 [J]. The Journal of Cell Biology. 2009, 187 (7): 1023–36.

[7] Korwitz A, Merkwirth C, et al. Loss of OMA1 delays neurodegeneration by preventing stress-induced OPA1 processing in mitochondria [J]. The Journal of Cell Biology. 2016, 212 (2): 157–66.

[8] McBride H, Soubannier V. Mitochondrial function: OMA1 and OPA1, the grandmastem of mitochondrial health [J]. Current biology. 2010, 20 (6):274-276.

[9] Wang JK, Wu HF, et al. Postconditioning with sevoflu-lane protects against focal cerebral ischemia and reperfusion injury involving mitochondrial A7rP-dependent potassium channel and mitochondrial permeability transition pore [J]. Neurological research. 2015, 37(1):77—83.

[10] Maltecca, F., Aghaie, A., et al. The mitochondrial protease AFG3L2 is essential for axonal development [J]. J. Neurosci. 2008, 28, 2827-2836.

[11] Francesco Consolato1, Francesca Maltecca1. m-AAA and i-AAA complexes coordinate to regulate OMA1, the stress-activated supervisor of mitochondrial dynamics [J]. Journal of Cell Science. 2018, 131, jcs213546.

[12] Hoppins S, Lackner L, et al. The machines that divide and fuse mitochondria [J]. Annu Rev Biochem. 2007, 76:751-780.

[13] Chan DC. Mitochondrial fusion and fission in mammals [J]. Annu Rev Cell Dev Biol. 2006, 22:79 ~99.

[14] Anne Korwitz, Carsten Merkwirth, et al. Loss of OMA1 delays neurodegeneration by preventing stress-induced OPA1 processing in mitochondria [J]. J Cell Biol. 2016, 212(2): 157–166.

[15] Esen E, Chen J, et al. WNT-LRP5 signaling induces Warburg effect through mTORC2 activation during osteoblast differentiation [J]. Cell Metab. 2013, 17:745-755.

[16] Plecita-Hlavata L, Jezek P. Integration of superoxide formation and cristae morphology for mitochondrial redox signaling [J]. Int J Biochem Cell Biol. 2016, 80:31-50.

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