Structural mechanism of mitochondrial membrane remodelling by human OPA1

心磷脂 细胞生物学 线粒体内膜 生物物理学 线粒体融合 脂质双层融合 线粒体 生物 膜 内膜转移酶 跨膜结构域 线粒体膜转运蛋白 化学 生物化学 线粒体DNA 磷脂 基因
作者
Alexander von der Malsburg,Gracie Sapp,Kelly E. Zuccaro,Alexander von Appen,Frank R. Moss,Raghav Kalia,Jeremy Bennett,Luciano A. Abriata,Matteo Dal Peraro,Martin van der Laan,Adam Frost,Halil Aydin
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:620 (7976): 1101-1108 被引量:128
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06441-6
摘要

Distinct morphologies of the mitochondrial network support divergent metabolic and regulatory processes that determine cell function and fate1–3. The mechanochemical GTPase optic atrophy 1 (OPA1) influences the architecture of cristae and catalyses the fusion of the mitochondrial inner membrane4,5. Despite its fundamental importance, the molecular mechanisms by which OPA1 modulates mitochondrial morphology are unclear. Here, using a combination of cellular and structural analyses, we illuminate the molecular mechanisms that are key to OPA1-dependent membrane remodelling and fusion. Human OPA1 embeds itself into cardiolipin-containing membranes through a lipid-binding paddle domain. A conserved loop within the paddle domain inserts deeply into the bilayer, further stabilizing the interactions with cardiolipin-enriched membranes. OPA1 dimerization through the paddle domain promotes the helical assembly of a flexible OPA1 lattice on the membrane, which drives mitochondrial fusion in cells. Moreover, the membrane-bending OPA1 oligomer undergoes conformational changes that pull the membrane-inserting loop out of the outer leaflet and contribute to the mechanics of membrane remodelling. Our findings provide a structural framework for understanding how human OPA1 shapes mitochondrial morphology and show us how human disease mutations compromise OPA1 functions. Human OPA1 embeds itself into cardiolipin-containing membranes through a lipid-binding paddle domain, and OPA1 oligomerization through multiple assembly interfaces promotes the helical assembly of a flexible OPA1 lattice on the membrane, driving mitochondrial fusion in cells.
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