作为细胞的“能量工厂”，线粒体广泛参与细胞能量代谢、凋亡调控、氨基酸合成及铁硫簇生成等关键生命活动，是维持细胞正常生理功能不可或缺的核心细胞器。线粒体的绝大多数蛋白均在细胞质中合成，随后通过特异性的蛋白转位系统运输至线粒体的各功能分区，从而维持线粒体稳态。线粒体载体蛋白（carrier proteins）属于SLC25A家族，作为代谢小分子转运体，是线粒体内膜上至关重要的多次跨膜蛋白，负责ATP、丙酮酸等核心代谢物质在线粒体与细胞质之间的穿梭运输。因此，载体蛋白从合成、跨膜转位、内膜插入到正确折叠的全过程，是维系线粒体乃至整体细胞稳态的关键基础之一。

长期以来，领域内基于酵母生化研究的经典理论认为，线粒体TOM复合物与TIM22复合物以独立分步模式运作，分别介导载体蛋白的外膜跨膜转位与内膜插入过程。2026年7月23日，北京大学生命科学学院李龙研究组在Nature Structural & Molecular Biology发表题为“Direct coupling of human TOM and TIM22 complexes drives mitochondrial carrier import”的研究成果。该研究在人源线粒体中证实，TOM与TIM22复合物可形成跨内外膜的超级复合物，通过协同偶联模式控制载体蛋白的跨膜转位，颠覆了以往酵母研究建立的“独立分步转位”经典模型。

图1 论文截图

线粒体载体蛋白的转位过程具有瞬时和高动态的特性，其转位中间态难以捕捉，一直是制约解析其精细分子机制的核心瓶颈。为破解这一难题，研究团队利用超折叠绿色荧光蛋白sfGFP实现线粒体内蛋白转位阻滞，成功捕获载体蛋白转位的中间态，在人源线粒体中鉴定出直接偶联的TOM-TIM22超级复合物（图2a，b）。在此基础上，研究团队借助光交联技术，在线粒体水平系统绘制了载体蛋白各跨膜螺旋与超级复合物的相互作用图谱。研究发现，载体蛋白在转位过程中呈现延伸构象，同时跨越线粒体外膜和内膜的多个功能区域。研究团队进一步解析了TOM-TIM22超级复合物转位中间态的冷冻电镜结构（图2b），阐明了其转位分子过程：载体蛋白跨膜区段沿TOM通道的疏水通路跨越外膜，随后通过TOM外侧全新发现的嵌膜凹槽释放，并对接进入TIM22复合物，最终经由TIM22膜侧凹槽进入内膜（图2c）。

图2 TOM-TIM22超级复合物的结构及转位模型。（a）载体蛋白通过TOM和TIM22跨越双层膜的模式图；（b）TOM-TIM22超级复合物的冷冻电镜密度图及原子模型拟合；（c）载体蛋白通过TOM-TIM22超级复合物进入内膜的分子过程

这项研究综合运用生物化学和结构生物学等方法，揭示了人源线粒体TOM和TIM22形成超级复合物的协同工作模式，建立了线粒体双层膜偶联的转位工作模型，修正了领域内长期沿用的独立分步转位理论，为阐明载体蛋白转位缺陷引发的神经退行性疾病和代谢疾病的致病机理提供了全新的研究视角与理论基础。

李龙为该论文的通讯作者，生命科学学院2026届毕业生刘小龙博士和北大-清华生命科学联合中心2023级博士生蔡鸿骏为论文的共同第一作者。生命科学学院博士生王昊、北大-清华生命科学联合中心毕业生周雪垠博士和张妤彤博士为本研究作出了重要贡献。研究工作得到了清华大学基础医学院朱佳俊研究员及其实验室的刘帅博士的支持。北京大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、生命科学学院仪器中心以及凤凰工程蛋白质平台提供了重要技术支撑。该项目依托膜生物学全国重点实验室、获得北大-清华生命科学联合中心，科技部重点研发项目和国家自然科学基金项目的经费资助。