中国科学家揭示线粒体呼吸链超级复合物的结构和机理

2016年12月1日，生命中心杨茂君研究组在国际生物学顶级期刊《细胞》（Cell）发表题为《哺乳动物呼吸链超级复合物I1III2IV1结构》（Structure of mammalian respiratory supercomplex I1III2IV1）的文章，报道了线粒体呼吸链超级复合物（呼吸体）原子分辨率的冷冻电镜三维结构。

这是杨茂君研究组继2016年9月21日在顶级期刊《自然》（Nature）发表题为《哺乳动物呼吸体结构》（The architecture of the mammalian respirasome）的研究长文揭示呼吸体的中等分辨率（5.4 Å）结构以后，在这一领域内快速取得的又一项高水平研究成果。杨茂君研究组通过不断创新蛋白纯化技术和电镜数据处理方法，成功将呼吸体结构的分辨率提升至原子分辨率（3.3-3.9 Å）级别，并解析了目前为止分辨率最高的哺乳动物呼吸链复合物I的精细结构（3.3-3.6 Å）。在此基础上提出了全新的电子传递机理，揭示了复合物I各亚基之间细致的相互作用，鉴定出新的连接各单独复合物的蛋白亚基，以及发现了磷脂分子在呼吸体结构中发挥的重要作用。这一目前为止世界上所解析的最复杂、分辨率最高的膜蛋白超级复合物结构为我们深入理解哺乳动物线粒体呼吸链的组织形式、工作机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病提供了重要的结构基础。

呼吸作用是生物体内最基础的能量代谢活动，是将绿色植物经光合作用固定的稳定化学能转化为机体所需要的能量分子ATP的重要一步。哺乳动物细胞的呼吸作用是由位于线粒体内膜上四个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），所有这些复合物都是由众多蛋白亚基和多个电子传递辅基组成的。这四个膜蛋白复合物组成线粒体呼吸链，它们可以将机体消化食物所得到的还原型分子NADH和FADH2上的电子逐级传递给氧气生成水分子，同时复合物I、III和IV完成从线粒体基质向线粒体膜间隙转运质子的功能。内外膜之间质子浓度梯度促使质子通过复合物V回流合成生物体所需的ATP分子，为机体提供能量。复合物I-V总称为线粒体氧化磷酸化系统。人类线粒体氧化磷酸化系统结构异常会导致多种疾病，比如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调以及肌萎缩性脊髓侧索硬化症等。

线粒体氧化磷酸化系统的结构生物学研究一直都是国际生命科学领域的研究热点之一。从1994年至今，经过来自世界各国众多实验室的科学家们的不懈努力，呼吸链复合物IV、III、II和V各自的高分辨率结构依次逐个获得解析。其中，1997年英国著名结构生物学家John E.Walker因对线粒体复合物V的结构生物学研究而获得诺贝尔化学奖。此外，2005年，我国著名结构生物学家饶子和教授研究组解析了首个哺乳动物线粒体中复合物II的高分辨率晶体结构，阐明了复合物II中电子传递的机制、工作机理以及与疾病的关系。相对于其它复合物的研究而言，复合物I是目前已经发现的最大也是组成最复杂的膜蛋白复合物催化酶，由于其结构的复杂性，所有关于复合物I的生物学研究一直相对比较滞后，尤其是没有包含45个蛋白亚基的哺乳动物来源的复合物I的高分辨率结构。杨茂君研究组首先解析了这一复合物3.97 Å分辨率的结构，搭建了包含大部分亚基的结构模型，该部分结果首先在《自然》杂志发表。而进一步的研究，首次获得了世界范围内分辨率最高的哺乳动物复合物I的原子分辨率（3.3-3.6 Å）结构，并成功搭建出了8000多个氨基酸的复合物精细结构模型，该结构为深入理解目前已发现的存在于该复合物上的近百个突变位点所导致疾病的分子机理以及为正确理解电子传递协同质子转运过程提供了详细的结构基础。

近年来，越来越多的研究发现参与线粒体呼吸链的各个复合物之间并不是独立存在的，它们可以相互结合形成更大且更复杂的蛋白质超级复合物，也即呼吸体。最早的呼吸体低分辨率结构解析于2005年，Dudkina利用单颗粒冷冻电镜技术解析了拟南芥中呼吸链超级复合物I1III2的低分辨率（18 Å）结构。2007年，Jesco解析了酵母中超级复合物III2IV1~2的低分辨率（15 Å）结构。之后在2011年，Dudkina和Althoff又分别解析了牛心中低分辨率（22 Å和19 Å）的呼吸体结构。在低分辨率的结构中，复合物I、复合物III和复合物IV的位置可以被确定，但是不能观察到它们之间相互作用的细节以及电子传递通路，因此解析呼吸体高分辨率结构是一个巨大挑战和机遇。

杨茂君研究组多年来一直致力于线粒体呼吸链蛋白结构与功能研究。2012年在《自然》（Nature）杂志首次报道了II型NADH-泛醌氧化还原酶Ndi1的晶体结构，并对其功能和工作机制进行了详细的阐述。2016年，又先后在《自然》（Nature）杂志和《细胞》（Cell）杂志发文，报道了世界范围内分辨率最高的哺乳动物呼吸体的原子分辨率结构模型。哺乳动物呼吸体是由包括44个膜蛋白在内的81个蛋白亚基（69种不同蛋白分子）所构成的分子量高达1.7兆道尔顿的膜蛋白超级复合物。几乎同一时间，奥地利科学家Sazanov解析了羊源呼吸体两种构象5.8 Å和6.7 Å中等分辨率结构，德国科学家Werner等解析了牛源呼吸体9 Å的低辨率结构。另外，澳大利亚科学家Michael、西班牙科学家Enriquez等近期还发文阐释了呼吸链复合物I的组装过程。这些研究为杨茂君实验室的研究成果提供了印证和补充。

杨茂君根据所解析的呼吸体原子分辨率结构，提出了复合物I、III和IV之间全新的电子传递机理。目前影响力最广泛的复合物III中电子传递协同质子转运模型是由Peter D.Mitchell于1975年提出的Q-Cycle模型，Peter Mitchell曾于1978年因提出化学渗透假说而获得了诺贝尔化学奖。杨茂君认为，限于当时对线粒体呼吸链组织形式的不全面理解Peter D.Mitchell提出的Q-Cycle模型有着非常大的局限性及漏洞。而在杨茂君所最新提出的电子传递协同质子转运新模型中，则考虑到了呼吸体中复合物I、III、IV的空间相对位置，认为辅酶Q从复合物I扩散至复合物III传递电子的过程并不需要翻转，并且Q-Cycle模型中的Qi位点才是辅酶Q的真正结合位点。他提出的新模型，从能量转换的角度来说对能量的利用更加高效，从结构中辅酶Q的结合位点来考虑也更加合理。另外，根据呼吸体的原子分辨率结构，可以观测到蛋白亚基之间复杂而细致的相互作用。经统计，蛋白亚基NDUFA8、NDUFA13、NDUFS4、NDUFS8、NDUFB10、NDUFB9、NDUFB5、ND5和NDUFS2分别与另外9、9、10、10、11、13、15、16和17个其它蛋白亚基有相互作用，这充分说明了呼吸体是一个非常精密的大分子机器，而人们对这一精密机器的理解还处于起步阶段。此外，从呼吸体的原子分辨率结构中，杨茂君还发现了大量的脂类分子，包括心磷脂、磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺，在呼吸体蛋白亚基的相互作用中起到关键作用，这也侧面的证明了磷脂分子对于膜蛋白执行功能的重要生物学意义。在复合物I中观测到的11个脂类小分子都参与了复合物I蛋白亚基间的相互作用，而ND1、ND2、ND4和ND6中在复合物I质子转运的过程中起到关键作用的跨膜螺旋，都与至少1个脂类分子发生了相互作用。因此研究组认为，由于脂类分子的参与，复合物I的跨膜区更加容易发生构象变化，有利于偶联电子传递和进行质子转运。此外，依据结构生物学发现及初步实验证据，研究组还提出，在体内存在的一种有两个复合物I，两个复合物III和两个复合物IV所组成的环形复合物I2III2IV2的超超级复合物形式，这种超超级复合物在功能上更为高效，目前的实验室正在努力解析这一超超级复合物的结构。

清华大学生命科学学院博士生吴萌、谷金科，以及研究生郭润域、黄雨申为本文共同第一作者，杨茂君为本文通讯作者。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。本工作获得生命科学联合中心、北京市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、国家自然科学基金和北京清博汇能医药科技有限公司的大力支持。

论文链接：

（据生命科学联合中心）