线粒体呼吸链蛋白的结构与功能研究再次突破性研究成果

大鼠elisa检测试剂盒际期刊《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）, 突破性地解析了目前所知的人源呼吸链蛋白质级的组织形式——超超级复合物（MCI2III2IV2）中高分辨率三维结构, 以及超级复合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率结构（图 1）。这是继 2016 年 9 月和 12 月，杨茂君研究组分别在《自然》（Nature）杂志和《细胞》杂志发表研究长文，详细阐释了猪源呼吸链超级复合物 I1III2IV1（呼吸体）的原子分辨率三维结构之后的又一项重大突破。在此次发表的文章中，杨茂君研究组获得了来源于人类细胞的呼吸链蛋白复合物样品，并且运用冷冻电镜三维重构的方法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的组成形式，为此前一直处于各种猜想阶段的级线粒体呼吸链复合物组织形式的存在提供了直接的证据，是该研究领域的一项重大研究突破。
呼吸作用是生物体内基础的能量代谢活动之一，是由位于线粒体内膜上的四种呼吸链蛋白复合物分步完成的，这四种蛋白复合物分别为复合物 I（NADH 脱氢酶）、复合物 II（琥珀酸脱氢酶）、复合物 III（细胞色素 c 还原酶）和复合物 IV（细胞色素 c 氧化酶）。以这些复合物为基础，可以聚合形成多层次的呼吸链超级复合物乃至超超级复合物，获得更高的稳定性和更高的能量转换效率。一百多年来，对线粒体呼吸链的研究一直都是生命科学领域的热点之一。彼得•米切尔（Peter D. Mitchell）曾于 1978 年因提出线粒体呼吸链的化学渗透假说而获得了诺贝尔化学奖；1997 年英国结构生物学家约翰•沃克（John E. Walker）因对线粒体复合物 V（ATP 合成酶）的结构生物学研究而获得诺贝尔化学奖。
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》杂志报道了 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 NDH2 为靶点的药物奠定了良好的基础。2017 年杨茂君研究组又分别在《PCCP》、《JMC》等杂志连续报道了 NDH2 的详细电子传递机制，同时开发了以疟原虫 NDH2 为靶标的针对耐药性疟原虫的新型抗疟疾药物前体分子，为开发新的治疗疟疾的药物打下了良好的基础。经过多年的努力，杨茂君研究组于 2016 年终于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性难题。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。该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。该模型与目前占统治地位的、1975 年由诺贝尔奖获得者彼得•米切尔提出的 Q - 循环（Q-Cycle）假说*不同。
在此次发表的论文中，杨茂君研究组在世界范围内从体外培养的人源细胞中分离、纯化出高纯度的呼吸链蛋白复合物，解析了呼吸链超级和超超级复合物的三维结构，从而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。该研究是一百多年以来人类针对线粒体呼吸链蛋白研究中在世界范围内获得的人源蛋白质复合物结构。 在该论文中，杨茂君研究组阐述了人源线粒体复合物 I （3.4-3.7Å）， 复合物 III（3.4 Å），复合物 IV（5.2 Å），超级复合物 I1III2IV1（3.9 Å）和超超级复合物 I2III2IV2（17.2 Å）的结构（图 1）。 此外，文章中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，该结构细节有力地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复合物 III 半失活理论。此结果进一步支持了杨茂君之前提出的全新的电子传递模型，而非长久以来占领学界的 Q 循环（Q-Cycle）模型。此外，通过计算机模拟的方法，杨茂君研究组还将复合物 II 的结构嵌入进呼吸链超级复合物的模型之中，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的发挥功能，从而将全部四个呼吸链复合物在结构水平统一到了一起，巧妙的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一条新的思路。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以及肌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打下了良好的基础，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一个良好的开端。