Mitochondrial enzymes involved in energy transformation are organized into multiprotein complexes that channel the reaction intermediates for efficient ATP production. Three of the mammalian urea cycle enzymes: N-acetylglutamate synthase (NAGS), carbamylphosphate synthetase 1 (CPS1), and ornithine transcarbamylase (OTC) reside in the mitochondria. Urea cycle is required to convert ammonia into urea and protect the brain from ammonia toxicity. Urea cycle intermediates are tightly channeled in and out of mitochondria, indicating that efficient activity of these enzymes relies upon their coordinated interaction with each other perhaps in a multiprotein complex. This view is supported by mutations in surface residues of the urea cycle proteins that impair urea genesis in the patients but do not affect protein stability or catalytic activity. Further, we find one third of the NAGS, CPS1 and OTC proteins in liver mitochondria can associate with the inner mitochondrial membrane (IMM), and co-immunoprecipitate. Our in silico analysis of vertebrate NAGS proteins, the least abundant of the urea cycle enzymes, identified a region we call variable segment present only in the mammalian NAGS protein. We experimentally confirmed that NAGS variable segment mediates the interaction of NAGS with CPS1. Use of Gated-Stimulation Emission Depletion (gSTED) super resolution microscopy showed that in situ, NAGS, CPS1 and OTC are organized into clusters. These results are consistent with mitochondrial urea cycle proteins forming a cluster instead of functioning either independently or in a rigid multienzyme complex.

中文翻译：

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内线粒体膜上尿素循环簇的线粒体酶

涉及能量转化的线粒体酶组织成多蛋白复合物，可引导反应中间体有效地产生ATP。哺乳动物的三种尿素循环酶：N-乙酰谷氨酸合酶（NAGS），氨基甲酸酯磷酸合成酶1（CPS1）和鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC）驻留在线粒体中。需要尿素循环以将氨转化为尿素并保护大脑免受氨中毒。尿素循环中间体紧密地进入和流出线粒体，表明这些酶的有效活性取决于它们在多蛋白复合物中彼此之间的协同相互作用。该观点得到尿素循环蛋白表面残基突变的支持，该突变会损害患者的尿素生成，但不影响蛋白稳定性或催化活性。进一步，我们发现肝线粒体中的NAGS，CPS1和OTC蛋白中有三分之一可以与线粒体内膜（IMM）结合并共同免疫沉淀。我们对脊椎动物NAGS蛋白（尿素循环酶中含量最少的）进行了计算机分析，确定了一个仅在哺乳动物NAGS蛋白中存在的可变片段区域。我们通过实验证实，NAGS可变片段介导了NAGS与CPS1的相互作用。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。肝线粒体中的CPS1和OTC蛋白可以与线粒体内膜（IMM）结合并共同免疫沉淀。我们对脊椎动物NAGS蛋白（尿素循环酶中含量最少的）进行了计算机分析，确定了一个仅在哺乳动物NAGS蛋白中存在的可变片段区域。我们通过实验证实，NAGS可变片段介导了NAGS与CPS1的相互作用。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。肝线粒体中的CPS1和OTC蛋白可以与线粒体内膜（IMM）结合并共同免疫沉淀。我们对脊椎动物NAGS蛋白（尿素循环酶中含量最少的）进行了计算机分析，确定了一个仅在哺乳动物NAGS蛋白中存在的可变片段区域。我们通过实验证实，NAGS可变片段介导了NAGS与CPS1的相互作用。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。尿素循环酶中含量最少的一个，确定了一个仅在哺乳动物NAGS蛋白中存在的可变片段区域。我们通过实验证实，NAGS可变片段介导了NAGS与CPS1的相互作用。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。尿素循环酶中含量最少的一个，确定了一个仅在哺乳动物NAGS蛋白中存在的可变片段区域。我们通过实验证实，NAGS可变片段介导了NAGS与CPS1的相互作用。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。门控刺激发射耗竭（gSTED）超分辨率显微镜的使用表明，NAGS，CPS1和OTC原位组织为簇。这些结果与形成簇而不是独立地或在刚性多酶复合物中起作用的线粒体尿素循环蛋白一致。