我科學(xué)家首次揭示哺乳動物呼吸體高分辨率三維結(jié)構(gòu)

來源：光明日報 2016-12-03  鄧暉

“從生到死的距離有多遠(yuǎn)？就在呼吸之間。”2日，一句幽默的開場白之后，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君研究組宣布，該研究組1日在國際生物學(xué)頂級期刊《細(xì)胞》發(fā)表的論文《哺乳動物呼吸鏈超級復(fù)合物I1III2IV1結(jié)構(gòu)》，首次使用冷凍電鏡技術(shù)，解析了線粒體呼吸鏈超級復(fù)合物（呼吸體）的原子分辨率結(jié)構(gòu)。這是繼今年9月21日該研究組在《自然》發(fā)表題為《哺乳動物呼吸體結(jié)構(gòu)》的研究長文揭示呼吸體的中等分辨率結(jié)構(gòu)以后，在這一領(lǐng)域取得的又一項高水平研究成果。

人類線粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常會導(dǎo)致阿爾茲海默綜合征、帕金森綜合征、多發(fā)性硬化、少年脊髓型共濟失調(diào)以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等多種疾病。這是目前世界上所解析的最復(fù)雜、分辨率最高的膜蛋白超級復(fù)合物結(jié)構(gòu)，為人類深入理解哺乳動物線粒體呼吸鏈的組織形式、工作機理提供了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)信息，并為設(shè)計和改造以線粒體呼吸鏈為靶標(biāo)的藥物提供了堅實的研究基礎(chǔ)。

呼吸作用是生物體內(nèi)最基礎(chǔ)的能量代謝活動之一。綠色植物經(jīng)光合作用將光能固定在我們?nèi)粘Ｋ缘氖澄镏校梭w則通過呼吸作用將食物中的能量轉(zhuǎn)化為機體可以直接利用的能量分子ATP。哺乳動物細(xì)胞的呼吸作用是由位于線粒體內(nèi)膜上四個呼吸鏈蛋白復(fù)合物，相互協(xié)同作用、分步完成，進而為機體提供能量的。從生物學(xué)的角度來說，線粒體可謂細(xì)胞的“能量工廠”，而呼吸體則是這個“工廠”內(nèi)最關(guān)鍵、結(jié)構(gòu)功能最復(fù)雜的“機器”。因此，對這臺“機器”結(jié)構(gòu)及工作機理的解析，對人類理解細(xì)胞的能量代謝乃至凋亡有著深遠(yuǎn)的影響。

也正因此，100多年來，對線粒體呼吸鏈的研究一直都是國際生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點之一。英國生物化學(xué)家彼得·米切爾曾于1978年因提出線粒體呼吸鏈的化學(xué)滲透假說而獲得了諾貝爾化學(xué)獎；1997年英國著名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家約翰？沃克因?qū)€粒體復(fù)合物V的研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎。近期，奧地利科學(xué)家列昂尼德？薩扎羅夫等解析了羊源呼吸體中等分辨率結(jié)構(gòu)，德國科學(xué)家沃納·庫爾布蘭特等解析了牛源呼吸體低辨率結(jié)構(gòu)等，這些成果為楊茂君的研究提供了印證和補充。

楊茂君研究組長期致力于線粒體呼吸鏈蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究，經(jīng)過多年努力，終于率先攻克了解析哺乳動物呼吸體原子分辨率結(jié)構(gòu)這一國際性難題。哺乳動物呼吸體是由包括44個膜蛋白在內(nèi)的81個蛋白亞基（69種不同蛋白分子）所構(gòu)成的超大分子機器。該研究組不斷優(yōu)化呼吸體蛋白純化及制樣技術(shù)，篩選出了能夠促進呼吸體穩(wěn)定的特異性小分子化合物，并改進了電鏡數(shù)據(jù)處理方法，最終成功將呼吸體結(jié)構(gòu)的分辨率提升至原子水平，搭建了結(jié)構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，楊茂君研究組揭示了復(fù)合物I各亞基之間細(xì)致的相互作用，鑒定出了新的連接各單獨復(fù)合物的蛋白亞基，以及發(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，并且提出了全新的電子傳遞模型。

此外，依據(jù)結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)及初步實驗證據(jù)，楊茂君研究組還提出，在體內(nèi)存在的一種有兩個復(fù)合物I，兩個復(fù)合物III和兩個復(fù)合物IV所組成的環(huán)形復(fù)合物I2III2IV2的超超級復(fù)合物形式，這種超超級復(fù)合物在功能上更為高效，目前實驗室正在努力解析這一超超級復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。

該成果得到了世界同行的高度認(rèn)可。據(jù)悉，在文章的審稿過程中，兩個審稿人分別指出：“這一成就可以被認(rèn)為是在生物能學(xué)里面的一次真正的突破。”“這篇論文是一項具有里程碑式的研究成果，具有非常重要意義。”

據(jù)介紹，該研究組的博士生吳萌、谷金科，研究生郭潤域、黃雨申為論文共同第一作者，楊茂君為論文通訊作者。