清華生命學(xué)院楊茂君研究組首次報(bào)道
線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)
清華新聞網(wǎng)9月27日電 9月21日，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君教授研究組在《自然》（Nature）期刊發(fā)表題為《哺乳動(dòng)物呼吸體結(jié)構(gòu)》（The architecture of the mammalian respirasome）的研究長文（Article）（1），首次報(bào)道了迄今為止分辨率最高的線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物——呼吸體的冷凍電鏡三維結(jié)構(gòu)。該論文是楊茂君教授研究組繼2012年首次在《自然》雜志報(bào)道II-型線粒體呼吸鏈復(fù)合物I之后，在該領(lǐng)域的又一重要研究進(jìn)展（2）。這是目前為止世界上所解析的最大、也是最復(fù)雜的膜蛋白超級(jí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)，為人類深入理解哺乳動(dòng)物呼吸鏈復(fù)合物的組織形式、分子機(jī)理以及治療細(xì)胞呼吸相關(guān)的疾病提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
呼吸作用是生物體最基礎(chǔ)的生命活動(dòng)之一。人類呼吸體結(jié)構(gòu)異常會(huì)導(dǎo)致多種疾病，比如阿爾茲海默綜合癥、帕金森綜合癥、多發(fā)性硬化、少年脊髓型共濟(jì)失調(diào)以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等。呼吸體蛋白分布于線粒體內(nèi)膜上，是執(zhí)行呼吸作用的超大分子機(jī)器。1977年，美國科學(xué)家Hackenbrock CR提出細(xì)胞呼吸是由線粒體內(nèi)膜上的四個(gè)呼吸鏈蛋白復(fù)合物分步完成的，這四種蛋白復(fù)合物分別為復(fù)合物I（CI，NADH脫氫酶）、復(fù)合物II（CII，琥珀酸脫氫酶）、復(fù)合物III（CIII，細(xì)胞色素c還原酶）和復(fù)合物IV（CIV，細(xì)胞色素c氧化酶）。所有這些復(fù)合物都是由眾多蛋白亞基和多個(gè)電子傳遞輔基組成的，并且在結(jié)構(gòu)和功能上都是獨(dú)立的。2000年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這些復(fù)合物并不是完全獨(dú)立存在的，而是相互結(jié)合形成更高級(jí)的組織形式——呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的呼吸鏈復(fù)合物之間通過不同的組合方式相互結(jié)合，可以形成多種類型的超級(jí)復(fù)合物，其中具有完整呼吸活性的超級(jí)復(fù)合物又被稱作呼吸體。哺乳動(dòng)物中豐度最高、最為重要的呼吸體是由1個(gè)CI，1個(gè)CIII的二聚體和1個(gè)CIV組成的，即I1III2IV1。
哺乳動(dòng)物呼吸體I1III2IV1是由81個(gè)蛋白亞基（70種不同蛋白分子）所構(gòu)成的分子量高達(dá)1.7兆道爾頓的膜蛋白超級(jí)復(fù)合物。各復(fù)合物之間的結(jié)合相對(duì)比較松散，所以呼吸體并不適合利用晶體學(xué)的手段進(jìn)行研究，卻非常適于應(yīng)用冷凍電鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析。在本論文中，楊茂君教授研究組不斷優(yōu)化樣品的純化方法，通過篩選、添加大量活性小分子化合物，最終獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、均一性好的呼吸體超級(jí)復(fù)合物。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一系列小分子化合物對(duì)呼吸體超級(jí)復(fù)合物的特異調(diào)節(jié)作用，為進(jìn)一步的藥物開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。在清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心的大力支持下，研究組獲得了高質(zhì)量的冷凍電鏡數(shù)據(jù)，并利用單顆粒三維重構(gòu)的方法最終獲得了整體5.4埃的近原子分辨率結(jié)構(gòu)，其中復(fù)合物I和復(fù)合物III的分辨率達(dá)到3.97埃(圖a)。在審稿過程中，兩篇分辨率分別為4.2埃和3.9埃的哺乳動(dòng)物線粒體呼吸鏈復(fù)合物I的結(jié)構(gòu)文章先后投稿到《自然》雜志并迅速發(fā)表(3, 4)。這些針對(duì)單個(gè)復(fù)合物I的研究也從側(cè)面證明了楊茂君教授研究組所解析的結(jié)構(gòu)的正確性。
在以往60多年的研究中，線粒體呼吸鏈復(fù)合物中每一個(gè)單獨(dú)的呼吸鏈復(fù)合物都對(duì)應(yīng)著多個(gè)理論來描述它們傳遞電子以及轉(zhuǎn)運(yùn)質(zhì)子的分子機(jī)制。由于缺少呼吸體的結(jié)構(gòu)信息，各呼吸鏈復(fù)合物之間電子是如何傳遞在此之前并不清楚。楊茂君研究組發(fā)現(xiàn)，在CI與CIII的跨膜區(qū)有一個(gè)縫隙，很可能是輔酶Q儲(chǔ)存和流動(dòng)的場所，輔酶Q被限制在這一區(qū)域會(huì)極大地提高CI與CIII之間電子傳遞的效率。CIV與CI之間沒有直接的電子傳遞載體的交流，而CIV和CIII中結(jié)合細(xì)胞色素c的位點(diǎn)都位于線粒體膜間隙且在同一平面上且之間的距離非常接近，這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)會(huì)促進(jìn)CIII與CIV之間細(xì)胞色素c的交流。
另外，由于這些呼吸鏈復(fù)合物自身都是非常龐大的分子機(jī)器，尤其是CI更是由45個(gè)蛋白亞基組成的，它們?nèi)绾伪３肿陨斫Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的問題，許多疾病都是由于這些復(fù)合物的結(jié)構(gòu)異常引起的，形成超級(jí)復(fù)合物是否能夠起到穩(wěn)定整體結(jié)構(gòu)的作用在此之前也沒有定論。楊茂君研究組在論文中指出，CI與CIII之間的相互作用非常緊密。在跨膜區(qū)內(nèi)，CI中的蛋白亞基NDUFA11可以與CIII中的蛋白亞基UQCRB和UQCRQ發(fā)生相互作用。同時(shí)，CI中的NDUFB4和NDUFB9亞基還與CIII中的UQCRC1直接相互作用，進(jìn)一步加強(qiáng)CI與CIII之間的聯(lián)系。CIV與CI和CIII之間的相互作用則相對(duì)較弱，CIV中的蛋白亞基COX7C與CI中的ND5相互作用，而CIV中的COX7A與CIII中的UQCRC1和UQCR11有相互作用。
圖注：a，不同側(cè)面呼吸體結(jié)構(gòu)模型及密度。b，復(fù)合物I結(jié)構(gòu)模型及密度。
這些蛋白亞基之間的相互作用可以使呼吸體的整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，也為穩(wěn)定CI的結(jié)構(gòu)做出了貢獻(xiàn)。但是，呼吸鏈復(fù)合物在單獨(dú)存在和以結(jié)合成呼吸體形式存在的情況下構(gòu)象是否相同、功能機(jī)理是否會(huì)發(fā)生變化，在此之前還不能確定。在解析的結(jié)構(gòu)中，呼吸體中的CI與自由狀態(tài)的CI相比，前者的跨膜臂中部區(qū)域沒有發(fā)生變化，兩邊則彎曲向中部靠近呈弧形。這樣的變化使得CI與CIII、CIV之間的相互作用更加穩(wěn)定（圖a-b）。
楊茂君教授研究組的生命學(xué)院五年級(jí)直博生谷金科、生命學(xué)院CLS項(xiàng)目三年級(jí)博士生吳萌、二年級(jí)研究生郭潤域?yàn)楸疚墓餐谝蛔髡撸粭蠲淌诤透邔幯芯繂T為本文共同通訊作者；高寧研究組的生命學(xué)院博士生閆凱歌在畢業(yè)前也參與課題的部分研究工作。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。
本研究工作獲得清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、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)劃專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金委和北京清博匯能醫(yī)藥科技有限公司的大力支持。
論文鏈接：
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature19359.html
相關(guān)論文：
1. J. Gu et al., The architecture of the mammalian respirasome. Nature, (2016).
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature19359.html
2. Y. Feng et al., Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases. Nature 491, 478-482 (2012).
http://www.nature.com/nature/journal/v491/n7424/full/nature11541.html
3. J. Zhu, K. R. Vinothkumar, J. Hirst, Structure of mammalian respiratory complex I. Nature 536, 354-358 (2016).
http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7616/full/nature19095.html
4. K. Fiedorczuk et al., Atomic structure of the entire mammalian mitochondrial complex I. Nature, (2016).
http://www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature19794.html
供稿：生命學(xué)院 編輯：悸寔 華山
