清華楊茂君研究組于線(xiàn)粒體呼吸鏈研究領(lǐng)域再次取得突破
清華新聞網(wǎng)8月25日電 8月24日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君研究組在《細(xì)胞》（Cell）雜志在線(xiàn)發(fā)表《人源線(xiàn)粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物I2III2IV2的結(jié)構(gòu)》（Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2），解析了目前所知的人源呼吸鏈蛋白質(zhì)最高級(jí)的組織形式——超超級(jí)復(fù)合物（MCI2III2IV2）的高分辨率三維結(jié)構(gòu)及超級(jí)復(fù)合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率結(jié)構(gòu)。這是繼2016年9月和12月，該研究組分別在《自然》（Nature）和《細(xì)胞》期刊發(fā)表長(zhǎng)文，闡釋豬源呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物I1III2IV1（呼吸體）原子分辨率三維結(jié)構(gòu)之后的又一重大成果。
在此次發(fā)表的文章中，楊茂君研究組首次獲得了來(lái)源于人類(lèi)細(xì)胞的呼吸鏈蛋白復(fù)合物樣品，并運(yùn)用冷凍電鏡三維重構(gòu)的方法首次成功解析了比呼吸體更高聚集形式的呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，證明了線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物存在更高級(jí)的組成形式，為此前一直處于各種猜想階段的最高級(jí)線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物組織形式的存在提供了直接證據(jù)，是該研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。
人源呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)。
左圖上，人源線(xiàn)粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物I2III2IV2結(jié)構(gòu)模型；左圖下，線(xiàn)粒體膜間隙一側(cè)，復(fù)合物III和IV中細(xì)胞色素c結(jié)合位點(diǎn)。右圖上，線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物完整聚合形式預(yù)測(cè)模型I2II2III2IV2；右圖下，線(xiàn)粒體膜間隙一側(cè)，細(xì)胞色素c參與電子傳遞時(shí)在復(fù)合物III和IV之間的運(yùn)動(dòng)路徑。Megacomplex，超超級(jí)復(fù)合物；M線(xiàn)粒體基質(zhì)；IM，線(xiàn)粒體內(nèi)膜；IM，線(xiàn)粒體膜間隙；CI，復(fù)合物I；CII，復(fù)合物II；CIII，復(fù)合物III；CIV，復(fù)合物IV；Cyt.c，細(xì)胞色素c。
楊茂君研究組長(zhǎng)期致力于線(xiàn)粒體呼吸鏈蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究，此前曾于2012年在《自然》期刊報(bào)道了II-型線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物I（NDH2）的結(jié)構(gòu)，揭示了其調(diào)控及電子傳遞機(jī)制，為設(shè)計(jì)針對(duì)II-型線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物INDH2為靶點(diǎn)的藥物奠定了良好基礎(chǔ)。2017年，楊茂君研究組連續(xù)報(bào)道了NDH2II-型線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物的詳細(xì)電子傳遞機(jī)制，同時(shí)開(kāi)發(fā)了以瘧原蟲(chóng)NDH2II-型線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物為靶標(biāo)的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開(kāi)發(fā)治療瘧疾的新藥打下良好基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年努力，研究組于2016年攻克了哺乳動(dòng)物線(xiàn)粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的原子分辨率結(jié)構(gòu)這一國(guó)際性難題。去年的研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合物是由一個(gè)復(fù)合物I、兩個(gè)復(fù)合物III和一個(gè)復(fù)合物IV構(gòu)成，是包括44個(gè)膜蛋白在內(nèi)的81個(gè)蛋白亞基（69種不同蛋白分子）所構(gòu)成的超大分子機(jī)器。
上述系列研究揭示了復(fù)合物I各亞基之間細(xì)致的相互作用，鑒定出了各復(fù)合物蛋白亞基之間及復(fù)合物之間的結(jié)合方式，發(fā)現(xiàn)了磷脂分子在呼吸體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君教授依據(jù)結(jié)構(gòu)信息提出了全新的線(xiàn)粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)的模型，這與目前研究界處于主流地位的Q-循環(huán)（Q-Cycle）假說(shuō)完全不同。
在此次發(fā)表的論文中，研究組第一次直接證明了高于呼吸體的呼吸鏈超超級(jí)蛋白復(fù)合物的組織形式的存在，是國(guó)際研究界對(duì)線(xiàn)粒體呼吸鏈蛋白研究中內(nèi)首次獲得的人源蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)。論文首次闡述了人源線(xiàn)粒體復(fù)合物I （3.4-3.7埃）、復(fù)合物III（3.4 埃）、復(fù)合物IV（5.2埃）、超級(jí)復(fù)合物I1III2IV1（3.9埃）和超超級(jí)復(fù)合物I2III2IV2（17.2埃）的結(jié)構(gòu)。
另外，文章重點(diǎn)報(bào)道了呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物近乎中心對(duì)稱(chēng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)。有趣的是，在二聚的復(fù)合物III線(xiàn)粒體膜間隙一側(cè)，觀(guān)測(cè)到了兩個(gè)處于結(jié)合狀態(tài)的細(xì)胞色素c蛋白亞基，該結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有力證明了環(huán)形結(jié)構(gòu)中心的兩個(gè)復(fù)合物III的單體都是有活性的，否定了之前其他研究組提出的關(guān)于復(fù)合物III半失活理論。此結(jié)果進(jìn)一步支持了楊茂君教授之前提出的電子傳遞模型。
此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，研究組還首次將復(fù)合物II的結(jié)構(gòu)嵌入呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的模型，由此可以推論在線(xiàn)粒體呼吸鏈中四個(gè)電子傳遞鏈蛋白將組合成一個(gè)更大的超超級(jí)復(fù)合物來(lái)更高效地發(fā)揮功能，從而將全部四個(gè)呼吸鏈復(fù)合物在結(jié)構(gòu)水平上統(tǒng)一到了一起，并預(yù)測(cè)了呼吸鏈復(fù)合物全新的完整聚合形式，為之后的研究提供了新的思路。
人類(lèi)線(xiàn)粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常會(huì)導(dǎo)致如阿茲海默綜合癥、帕金森綜合癥、多發(fā)性硬化、少年脊髓型共濟(jì)失調(diào)及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等多種疾病。由于人源線(xiàn)粒體呼吸鏈蛋白復(fù)合物的純化條件極為苛刻、難度系數(shù)大，所以針對(duì)這些蛋白的藥物篩選一直都很難開(kāi)展。楊茂君研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術(shù)為今后的藥物研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)的解析不僅闡明了這些蛋白的作用方式及反應(yīng)機(jī)理，也為人類(lèi)攻克線(xiàn)粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常所導(dǎo)致的疾病提供了良好開(kāi)端。
《細(xì)胞》期刊審稿人在評(píng)審意見(jiàn)中說(shuō): “這一由140個(gè)亞基構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)令人印象深刻，為線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物的組成形式提供了前所未有的視點(diǎn)。”
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生郭潤(rùn)域（2015級(jí)）、宗帥（2013級(jí)）、吳萌（2014級(jí)），結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者谷金科（2017級(jí)博士后）為本論文的共同第一作者，楊茂君教授為此系列論文的通訊作者。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。本項(xiàng)研究得到了清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地、清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研基金、清華大學(xué)蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家杰出青年基金、國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
原文鏈接：
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30887-5
論文全文：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867417308875
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 華山
