清華大學又1篇Cell！楊茂君教授研究組在線粒體呼吸鏈領域再次取得突破性成果

本文轉載自「結構生物學高精尖創新中心」，原標題：楊茂君教授研究組於線粒體呼吸鏈研究領域再次取得突破性研究成果。

2017年8月24日，清華大學生命科學學院、結構生物學高精尖創新中心楊茂君教授研究組在《細胞》（Cell）雜誌在線發表題為《人源線粒體呼吸鏈超超級複合物I2III2IV2的結構》（Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2）的文章，突破性地解析了目前所知的人源呼吸鏈蛋白質最高級的組織形式——超超級複合物（MCI2III2IV2）中高解析度三維結構，以及超級複合物（SCI1III2IV1）的原子解析度結構（圖1）。

圖1 人源呼吸鏈超超級複合物整體結構

這是繼2016年9月和12月，楊茂君教授研究組分別在《自然》（Nature）雜誌和《細胞》雜誌發表研究長文，詳細闡釋了豬源呼吸鏈超級複合物I1III2IV1（呼吸體）的原子解析度三維結構之後的又一項重大突破。在此次發表的文章中，楊茂君教授研究組首次獲得了來源於人類細胞的呼吸鏈蛋白複合物樣品，並且運用冷凍電鏡三維重構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複合物的三維結構，證明了線粒體呼吸鏈複合物存在更高級的組成形式，為此前一直處於各種猜想階段的最高級線粒體呼吸鏈複合物組織形式的存在提供了直接的證據，是該研究領域的一項重大研究突破。

呼吸作用是生物體內最基礎的能量代謝活動之一，是由位於線粒體內膜上的四種呼吸鏈蛋白複合物分步完成的，這四種蛋白複合物分別為複合物I（NADH脫氫酶）、複合物II（琥珀酸脫氫酶）、複合物III（細胞色素c還原酶）和複合物IV（細胞色素c氧化酶）。以這些複合物為基礎，可以聚合形成多層次的呼吸鏈超級複合物乃至超超級複合物，獲得更高的穩定性和更高的能量轉換效率。一百多年來，對線粒體呼吸鏈的研究一直都是國際生命科學領域的熱點之一。彼得?米切爾（Peter D. Mitchell）曾於1978年因提出線粒體呼吸鏈的化學滲透假說而獲得了諾貝爾化學獎；1997年英國著名結構生物學家約翰?沃克（John E. Walker）因對線粒體複合物V（ATP合成酶）的結構生物學研究而獲得諾貝爾化學獎。

楊茂君教授（圖片來源：結構生物學高精尖創新中心）

楊茂君教授研究組長期致力於線粒體呼吸鏈蛋白的結構與功能研究，此前曾於2012年在《自然》雜誌報道了II-型線粒體呼吸鏈複合物I（NDH2）的結構，揭示了其調控及電子傳遞機制，為設計針對NDH2為靶點的藥物奠定了良好的基礎。2017年楊教授研究組又分別在《PCCP》、《JMC》等雜誌連續報道了NDH2的詳細電子傳遞機制，同時開發了以瘧原蟲NDH2為靶標的針對耐藥性瘧原蟲的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開發新的治療瘧疾的藥物打下了良好的基礎。經過多年的努力，楊茂君教授研究組於2016年終於攻克了哺乳動物線粒體呼吸鏈超級複合物的原子解析度結構這一國際性難題。該複合物是由一個複合物I，兩個複合物III和一個複合物IV構成。是包括44個膜蛋白在內的81個蛋白亞基（69種不同蛋白分子）所構成的超大分子機器。該系列研究揭示了複合物I各亞基之間細緻的相互作用，鑒定出了各複合物蛋白亞基之間及複合物之間的結合方式，發現了磷脂分子在呼吸體結構中發揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君教授依據結構信息提出了全新的線粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質子轉運的模型。該模型與目前占統治地位的、1975年由諾貝爾獎獲得者彼得?米切爾提出的Q-循環（Q-Cycle）假說完全不同。

在此次發表的論文中，楊茂君教授研究組在世界範圍內首次從體外培養的人源細胞中分離、純化出高純度的呼吸鏈蛋白複合物，解析了呼吸鏈超級和超超級複合物的三維結構，從而第一次直接證明了高於呼吸體的呼吸鏈超超級蛋白複合物的組織形式的存在。該研究是一百多年以來人類針對線粒體呼吸鏈蛋白研究中在世界範圍內首次獲得的人源蛋白質複合物結構。 在該論文中，楊茂君教授研究組首次闡述了人源線粒體複合物I （3.4-3.7?）， 複合物III（3.4 ?），複合物IV（5.2 ?），超級複合物I1III2IV1（3.9 ?）和超超級複合物I2III2IV2（17.2 ?）的結構（圖1）。 此外，文章中重點報道了呼吸鏈超超級複合物近乎中心對稱的環形結構。有趣的是，在二聚的複合物III線粒體膜間隙一側觀測到了兩個處於結合狀態的細胞色素c蛋白亞基，該結構細節有力地證明了環形結構中心的兩個複合物III的單體都是有活性的，否定了之前其他研究組提出的複合物III半失活理論。此結果進一步支持了楊教授之前提出的全新的電子傳遞模型，而非長久以來佔領學界的Q循環（Q-Cycle）模型。此外，通過計算機模擬的方法，楊教授研究組還首次將複合物II的結構嵌入進呼吸鏈超級複合物的模型之中，由此可以推論在線粒體呼吸鏈中四個電子傳遞鏈蛋白將組合成一個更大的超超級複合物來更高效的發揮功能，從而將全部四個呼吸鏈複合物在結構水平統一到了一起，巧妙的預測了呼吸鏈複合物全新的完整聚合形式，為之後的研究提供了一條新的思路。人類線粒體呼吸鏈系統異常會導致如阿茲海默綜合症、帕金森綜合症、多發性硬化、少年脊髓型共濟失調以及肌萎縮性脊髓側索硬化症等多種疾病。由於人源線粒體呼吸鏈蛋白複合物的純化條件極為苛刻、難度係數大，所以針對這些蛋白的藥物篩選一直都很難開展。楊茂君教授研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術為今後的藥物研發打下了良好的基礎，其結構的解析不僅闡明了這些蛋白的作用方式及反應機理，也為人類攻克線粒體呼吸鏈系統異常所導致的疾病提供了一個良好的開端。

在文章的審稿過程中，審稿人指出「The circular structure with a total of 140 subunits is impressive and provides unprecedented insight into the mitochondrial respirasome. 」。（這一由140個亞基構成的環形結構令人印象深刻，為線粒體呼吸鏈複合物的組成形式提供了史無前例的視點）「This manuscript represents a major step forward in understanding the structural and functional organization of the mitochondrial respiratory chain.」。（這篇文章是理解線粒體呼吸鏈的結構和功能構成的重要一步）。楊茂君教授研究組今後將對線粒體呼吸鏈繼續進行更加深入的研究，希望獲得處於不同反應中間態的呼吸鏈複合物群的解析度更高的三維結構，並將致力於研發治療線粒體異常疾病的新型靶向藥物。「生死只在呼吸之間」，楊教授曾多次在公開演講中提到：「呼吸是最基本的生命活動，最為平常但卻十分神秘。針對呼吸作用的研究我們已經走在世界前列，但是許多重要的細節仍在等待未來科學家們通過共同的努力來加以解析。希望我們的研究能為人類對生命現象的認知作出更大的貢獻。」

清華大學生命科學學院博士生郭潤域（15級）、宗帥（13級）、吳萌（14級），結構生物學高精尖創新中心卓越學者谷金科（17級博士後）是此篇論文的共同第一作者，此外，郭潤域、吳萌和谷金科還是另外兩篇《自然》和《細胞》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。電鏡數據採集於清華大學冷凍電鏡平台，計算工作得到清華大學高性能計算平台的支持。本工作獲得清華大學結構生物學高精尖創新中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地、清華-北大生命聯合中心、清華大學自主科研基金、清華大學蛋白質科學教育部重點實驗室、科技部重大科學研究計劃專項、國家傑出青年基金、國家自然科學基金的大力支持。

原文鏈接：

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30887-5

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