ミトコンドリア膜中でのATP合成酵素と呼吸超複合体の超分子構造を高分解能で可視化

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2026-04-08 京都産業大学

京都産業大学と京都大学の共同研究により、ミトコンドリア内膜におけるATP合成酵素と呼吸鎖超複合体の超分子構造が、ネイティブ状態のまま高分解能で初めて可視化された。クライオ電子顕微鏡解析により、ATP合成酵素がIF1タンパク質で連結された二量体および四量体として存在し、膜を湾曲させクリステ構造形成に寄与することが判明。また、呼吸鎖ではCI₁CIII₂CIV₃やCI₂CIII₂CIV₆といった新規構成を含む多様な超複合体が確認された。さらに従来仮説の一部は否定され、膜タンパク質の実際の配置と機能理解が大きく進展。少量試料でネイティブ構造を解析できる手法として、疾患研究や構造生物学の革新に貢献する成果である。

ミトコンドリア膜中でのATP合成酵素と呼吸超複合体の超分子構造を高分解能で可視化
図 1.今回の方法では、生体膜上の本来の膜タンパク質の構造が得られるのに対して、従来の界面活性剤による精製過程を経る方法では、膜タンパク質の本来の構造状態が失われたり、人工的な二量体構造が生成されることもある。

<関連情報>

哺乳類ミトコンドリア内膜における呼吸鎖スーパーコンプレックスおよびATP合成酵素オリゴマーの構造 Structures of respiratory supercomplexes and ATP synthase oligomers in mammalian mitochondrial inner membrane

Atsuki Nakano,Takahiro Masuya,Shinsuke Akisada,Moe Ishikawa-Fukuda,Kaoru Mitsuoka,Hideto Miyoshi,Masatoshi Murai & Ken Yokoyama
Nature Communications  Published:17 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-70578-x  Unedited version

Abstract

Understanding the functional mechanisms of membrane protein complexes requires structural analysis within their native membrane environment. Here, we applied cryo-electron microscopy to determine the structures of FoF1 ATP synthase and respiratory supercomplexes (SCs) on sub-mitochondrial particles (SMPs) isolated from bovine heart mitochondria. Most FoF1 complexes were observed as dimers stabilized by the regulatory factor IF₁, and a tetrameric assembly comprising two FoF1–IF₁ dimers arranged linearly was also identified. This finding indicates that the tetrameric units of FoF1 are present in the mitochondrial inner membrane and contribute to shaping cristae tips in mammalian mitochondria. Fo domain maps resolve the e-subunit– c₈-ring interface and show no discrete density for a tightly bound lipid within the c₈-ring. In addition to the previously reported SCs compositions CI₁CIII₂CIV₁ and CI₁CIII₂CIV₂, our analysis identified an additional assembly with the composition CI₁CIII₂CIV₃, as well as a CI₂CIII₂CIV₆ mega-complex. This approach enables rapid structural determination of FoF1 ATP synthase and SCs from minimal membrane fractions, providing a foundation for elucidating the molecular basis of metabolic disorders and mitochondrial diseases at the level of higher-order architecture.

生物化学工学
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