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清华杨茂君研究组于线粒体呼吸链研究领域再次取得突破
2017-08-25 09:05:27     毛雪鸥[     ]

    8月24日,清华大学生命科学学院杨茂君研究组在《细胞》(Cell)杂志在线发表《人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2的结构》(Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2),解析了目前所知的人源呼吸链蛋白质最高级的组织形式——超超级复合物(MCI2III2IV2)的高分辨率三维结构及超级复合物(SCI1III2IV1)的原子分辨率结构。这是继2016年9月和12月,该研究组分别在《自然》(Nature)和《细胞》期刊发表长文,阐释猪源呼吸链超级复合物I1III2IV1(呼吸体)原子分辨率三维结构之后的又一重大成果。

在此次发表的文章中,杨茂君研究组首次获得了来源于人类细胞的呼吸链蛋白复合物样品,并运用冷冻电镜三维重构的方法首次成功解析了比呼吸体更高聚集形式的呼吸链超超级复合物的三维结构,证明了线粒体呼吸链复合物存在更高级的组成形式,为此前一直处于各种猜想阶段的最高级线粒体呼吸链复合物组织形式的存在提供了直接证据,是该研究领域的一项重大突破。 

人源呼吸链超超级复合物整体结构。

左图上,人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2结构模型;左图下,线粒体膜间隙一侧,复合物III和IV中细胞色素c结合位点。右图上,线粒体呼吸链复合物完整聚合形式预测模型I2II2III2IV2;右图下,线粒体膜间隙一侧,细胞色素c参与电子传递时在复合物III和IV之间的运动路径。Megacomplex,超超级复合物;M线粒体基质;IM,线粒体内膜;IM,线粒体膜间隙;CI,复合物I;CII,复合物II;CIII,复合物III;CIV,复合物IV;Cyt.c,细胞色素c。

杨茂君研究组长期致力于线粒体呼吸链蛋白的结构与功能研究,此前曾于2012年在《自然》期刊报道了II-型线粒体呼吸链复合物I(NDH2)的结构,揭示了其调控及电子传递机制,为设计针对II-型线粒体呼吸链复合物INDH2为靶点的药物奠定了良好基础。2017年,杨茂君研究组连续报道了NDH2II-型线粒体呼吸链复合物的详细电子传递机制,同时开发了以疟原虫NDH2II-型线粒体呼吸链复合物为靶标的新型抗疟疾药物前体分子,为开发治疗疟疾的新药打下良好基础。经过多年努力,研究组于2016年攻克了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物的原子分辨率结构这一国际性难题。去年的研究发现,该复合物是由一个复合物I、两个复合物III和一个复合物IV构成,是包括44个膜蛋白在内的81个蛋白亚基(69种不同蛋白分子)所构成的超大分子机器。

上述系列研究揭示了复合物I各亚基之间细致的相互作用,鉴定出了各复合物蛋白亚基之间及复合物之间的结合方式,发现了磷脂分子在呼吸体结构中发挥的重要作用。值得一提的是,杨茂君教授依据结构信息提出了全新的线粒体呼吸链之间电子传递与质子转运的模型,这与目前研究界处于主流地位的Q-循环(Q-Cycle)假说完全不同。

在此次发表的论文中,研究组第一次直接证明了高于呼吸体的呼吸链超超级蛋白复合物的组织形式的存在,是国际研究界对线粒体呼吸链蛋白研究中内首次获得的人源蛋白质复合物结构。论文首次阐述了人源线粒体复合物I (3.4-3.7埃)、复合物III(3.4 埃)、复合物IV(5.2埃)、超级复合物I1III2IV1(3.9埃)和超超级复合物I2III2IV2(17.2埃)的结构。

另外,文章重点报道了呼吸链超超级复合物近乎中心对称的环形结构。有趣的是,在二聚的复合物III线粒体膜间隙一侧,观测到了两个处于结合状态的细胞色素c蛋白亚基,该结构细节有力证明了环形结构中心的两个复合物III的单体都是有活性的,否定了之前其他研究组提出的关于复合物III半失活理论。此结果进一步支持了杨茂君教授之前提出的电子传递模型。

此外,通过计算机模拟,研究组还首次将复合物II的结构嵌入呼吸链超级复合物的模型,由此可以推论在线粒体呼吸链中四个电子传递链蛋白将组合成一个更大的超超级复合物来更高效地发挥功能,从而将全部四个呼吸链复合物在结构水平上统一到了一起,并预测了呼吸链复合物全新的完整聚合形式,为之后的研究提供了新的思路。

人类线粒体呼吸链系统异常会导致如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调及肌萎缩性脊髓侧索硬化症等多种疾病。由于人源线粒体呼吸链蛋白复合物的纯化条件极为苛刻、难度系数大,所以针对这些蛋白的药物筛选一直都很难开展。杨茂君研究组建立的一系列蛋白纯化方法和技术为今后的药物研发奠定了良好基础,其结构的解析不仅阐明了这些蛋白的作用方式及反应机理,也为人类攻克线粒体呼吸链系统异常所导致的疾病提供了良好开端。

《细胞》期刊审稿人在评审意见中说: “这一由140个亚基构成的环形结构令人印象深刻,为线粒体呼吸链复合物的组成形式提供了前所未有的视点。”

清华大学生命科学学院博士生郭润域(2015级)、宗帅(2013级)、吴萌(2014级),结构生物学高精尖创新中心卓越学者谷金科(2017级博士后)为本论文的共同第一作者,杨茂君教授为此系列论文的通讯作者。电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台,计算工作得到清华大学高性能计算平台的支持。本项研究得到了清华大学结构生物学高精尖创新中心、国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地、清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金、国家自然科学基金的支持。(摘自清华新闻网)

原文链接:

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

论文全文:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867417308875