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细胞凋亡是维持机体细胞数量动态平衡的重要措施，通过清除多余和已完成使命的细胞，确保组织器官正常发育、生长。细胞凋亡过程的紊乱会干扰内环境稳定，导致许多疾病的发生，如细胞凋亡不足将引起肿瘤和自身免疫疾病；细胞凋亡过度会引起心血管疾病和神经退行性疾病等。细胞凋亡的过程包含严密复杂的调控机制，Bax是其中一个关键的促细胞凋亡蛋白，在调控线粒体凋亡途径中发挥着不可或缺的作用。正常情况下，Bax是以单体形式静存于细胞基质中。当细胞接收到凋亡信号后，Bax会被激活并在线粒体膜中形成多聚体孔洞，释放细胞色素C，从而起动凋亡程序。Bax单体是一个由九个α螺旋组成的球状蛋白，激活后会将疏水的α9螺旋释放出来与线粒体膜结合。然而Bax在膜上的状态是什么样的，是如何形成孔洞进而改变线粒体的通透性，促进细胞凋亡的，长期以来没有得到解答。
2021年6月8日中科院分子细胞科学卓越创新中心欧阳波团队与美国Oklahoma大学健康科学中心林家凌团队和加拿大Sunnybrook研究院David W. Andrews团队在The EMBO Journal上合作发表题为 An amphipathic Bax core dimer forms part of the apoptotic pore wall in the mitochondrial membrane 的研究论文。该研究揭示了促细胞凋亡蛋白Bax在线粒体膜上独特的成孔模式。
为了研究Bax在线粒体外膜上形成孔洞的机制，欧阳波团队首先将Bax的核心结构域α2-α5放入脂双分子层的类膜体系bicelle中，通过核磁共振技术首次解析了Bax（α2-α5）双体精准的三维在膜结构，发现该结构与已知的溶液中的晶体结构有明显的差异，其中α4和α5形成了一个平整的疏水平面。该团队进一步利用蛋白-磷脂NOE和PRE探针滴定的方法，确定了的Bax（α2-α5）在膜上的精确位置，发现Bax（α2-α5）通过该疏水平面侧贴于膜之边缘，并与膜形成60o的夹角来最大限度的保护疏水磷脂双层。随后通过结构分析，发现R89、F93、F114、A117和S118与膜直接相互作用，因此设计了R89E、F93E、F114E、A117D和S118D的突变，来破坏Bax与膜的静电相互作用或者疏水相互作用，验证该核磁结构的准确性。接下来，林家凌团队通过脂质体荧光色素释放实验发现这些突变体都显著地降低了Bax的破膜活性。David W. Andrews团队利用线粒体膜通透性实验，在细胞中进一步证实了这些突变体在天然线粒体膜中成孔能力下降。以上这些结构和功能实验揭示了Bax核心结构域侧贴在膜的特殊成孔方式，拓宽了人们对蛋白在膜上成孔分子机制的理解和认识。
中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的博士生吕福娇和温茂荣博士，美国Oklahoma大学的齐飞硕士和张志研究助理以及加拿大Sunnybrook研究院的Justin Kale博士为本文的共同第一作者。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的欧阳波研究员，美国Oklahoma大学健康科学中心的林家凌教授和加拿大Sunnybrook研究院的David W. Andrews教授为本文的共同通讯作者。
原文链接：
https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embj.2020106438
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