钙离子（Ca²⁺）是细胞内重要的信号分子，参与能量代谢、细胞运动、组织修复及细胞死亡等多种生命过程。线粒体不仅是细胞的“能量工厂”，也是调控Ca²⁺稳态的重要细胞器。长期以来，线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter，MCU）被认为是Ca²⁺进入线粒体基质的主要通道。然而，在多种动物模型中，MCU缺失并未完全阻断线粒体Ca²⁺摄取，这表明线粒体中可能还存在尚未被发现的替代性钙摄取机制。

近日，基础医学院徐素宏团队在《Nature Communications》发表题为“ATAD-3 couples plasma membrane injury to mitochondrial Ca²⁺ signaling”的研究论文。该研究以线虫表皮损伤为模型，发现细胞膜损伤能够激活一种依赖于ATAD-3的线粒体Ca²⁺摄取机制。损伤促进ATAD-3在线粒体富集并发生寡聚化；当经典MCU-1通路缺失时，这一反应进一步增强，支持延迟的线粒体Ca²⁺摄取。这一发现表明，ATAD-3是细胞膜损伤后线粒体Ca²⁺摄取的关键调控因子；MCU-1缺失时出现的延迟的Ca²⁺摄取依赖于ATAD-3。

研究人员利用线粒体Ca²⁺探针对损伤后的Ca²⁺动态变化进行活体成像。在野生型线虫中，激光损伤后，升高的线粒体钙信号迅速从伤口向四周扩散。而在mcu-1突变体中，损伤初期（约30秒内）没有明显反应，随后却出现了延迟的Ca²⁺升高，最终信号强度与野生型持平。不同Ca²⁺探针以及针刺、超声等损伤方式均验证了这一现象，表明损伤后存在不依赖MCU-1的线粒体Ca²⁺摄取机制（图1）。

图1 MCU-1缺失后，细胞损伤仍可诱导延迟的线粒体Ca²⁺摄取

为寻找这一替代机制的调控分子，研究团队对线粒体内膜相关蛋白进行了RNAi筛选。ATAD-3编码一种保守的线粒体AAA+ ATPase，其人源同源蛋白ATAD3A与线粒体结构、mtDNA稳定性及多类遗传性疾病密切相关。实验发现，敲低atad-3几乎完全阻断损伤诱导的线粒体Ca²⁺升高。表皮特异性条件敲除与回补实验进一步证明，ATAD-3是该调控过程必不可少的蛋白。此外，筛选还发现，MICU-3对线粒体Ca²⁺摄取具有负向调节作用，可能通过抑制MCU-1通路的活性，参与调控线粒体Ca²⁺稳态（图2）。

图2 RNAi筛选鉴定ATAD-3和MICU-3为线粒体Ca2+摄取调控因子

进一步研究发现，在mcu-1突变体中同时敲除atad-3会消除损伤诱导的延迟Ca²⁺摄取，表明ATAD-3对于MCU-1缺失时的线粒体Ca²⁺摄取是必需的。免疫共沉淀实验未检测到ATAD-3与MCU-1存在直接相互作用，但发现ATAD-3可与线粒体外膜蛋白VDAC-1相互作用。

为探究细胞损伤激活ATAD-3的机制，研究人员内源性敲入ATAD-3::GFP，并通过超分辨率成像观察到，损伤后5分钟内ATAD-3迅速在线粒体上富集。线粒体分离及交联实验进一步显示，损伤还会促进ATAD-3形成高阶寡聚体；在mcu-1突变体中，这种富集和寡聚化更加明显。这提示经典MCU-1通路受损时，ATAD-3可能通过增强寡聚化形成补偿性应答。

AlphaFold3结构预测提示，ATAD-3可能组装成具有中央孔道的六聚体环状结构。删除负责寡聚化的卷曲螺旋结构域后，ATAD-3无法正常形成寡聚体，损伤诱导的线粒体Ca²⁺摄取也受到明显抑制，表明ATAD-3寡聚化是其发挥功能的关键。此外，与人类疾病相关的ATAD3A突变F47L和G352E虽然仍能定位于线粒体，却显著抑制损伤后的Ca²⁺摄取，为ATAD3A变异导致线粒体Ca²⁺信号异常及相关疾病的发病机制提供了线索。

图3 ATAD-3的AlphaFold3预测结构

综上，该研究提出了线粒体Ca²⁺摄取的分层调控模型假设：正常情况下，MCU-1介导快速的线粒体Ca²⁺摄取，ATAD-3参与保障这一过程；当MCU-1缺失时，损伤诱导的ATAD-3富集和寡聚化可支持一条延迟的并且不依赖于MCU-1的摄取途径。然而，ATAD-3自身是否在体内或压力情况下（如损伤）形成独立于MCU的钙通道，还有待于结构生物学、生物化学和电生理学等相关学科技术的进一步细致解析（图4）。

图4 ATAD-3调控细胞膜损伤后线粒体Ca2+摄取的工作模型

浙江大学基础医学院徐素宏为该论文的通讯作者，浙江大学许诗淇、彭逸、周恒达和任学聪为论文共同第一作者。该研究还得到了云南大学、浙江大学生命科学研究院等单位研究人员的合作支持。本研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目资助。