清華楊茂君組Cell再發突破性研究成果

北京時間8月24日晚，Cell在線發表了清華大學楊茂君課題組題為「Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I1III2IV1」的研究論文，使用冷凍電鏡單顆粒三維重構的方法，突破性地解析了人源呼吸鏈蛋白質複合物最高級的組織形式——超超級複合物（MCI1III2IV1）的高解析度三維結構,以及超級複合物MCI1III2IV1）的原子解析度結構。這是繼2016年該課題組連續在Nature和Cell發表研究長文，詳細闡釋了豬源呼吸鏈超級複合物I1III2IV1（呼吸體）的原子解析度三維結構之後的又一項重要突破【1,2】。

有氧呼吸是動物和植物進行呼吸作用的主要形式，指的是細胞在氧氣的參與下，通過多種酶的催化作用將糖類等有機物徹底氧化分解，產生出二氧化碳和水，同時釋放大量能量的過程。線粒體作為細胞內的「動力工廠」，是細胞進行有氧呼吸作用的主要場所，它通過氧化磷酸化進行能量轉換，為細胞的各種生命活動提供能量。具體地，有氧呼吸是由位於線粒體內膜上的五種呼吸鏈蛋白複合物分步完成的。其中複合物 I（NADH 脫氫酶）、複合物 II（琥珀酸脫氫酶）、複合物 III（細胞色素c還原酶）和複合物 IV（細胞色素 c 氧化酶）為呼吸鏈上的電子傳遞鏈系統，其主要功能是將 NADH 分子上所攜帶的高能電子通過其電子傳遞鏈傳遞到氧氣分子上，同時驅動該複合物把線粒體基質中的質子轉運到膜間隙中，為複合物 V (ATP合成酶) 合成 ATP 提供能量【3】。自上世紀，這幾個膜蛋白複合物的結構解析一直是生物學領域研究的熱點、難點和焦點，吸引了中國、美國、日本、英國、德國等國家在內的一大批頂尖科學家為之奮鬥（下圖）。其中，來自中國的科學家在激烈的國際競爭中多次脫穎而出。

線粒體呼吸鏈研究簡史。圖片引自：Guo, R., Gu, J., Wu, M., & Yang, M. (2016). Amazing structure of respirasome: unveiling the secrets of cell respiration.Protein & cell, 1-12.

2005年，饒子和院士課題組的孫飛等人在世界上首次報道了由四種不同蛋白質組成的複雜的豬心線粒體複合物Ⅱ的精細三維結構，填補了線粒體結構生物學研究領域和細胞生物學、生物化學教科書里的空白，是一項具有里程碑意義的重大成果（該成果是1980年以來，Cell雜誌首次刊登的5篇主要在中國本土完成的完整系統原創性的重要研究成果之一，Cell雜誌主編在2016年的世界生命科技大會的報告中曾特地展示了這篇文章，可見這篇文章的意義確實非同一般）【4】。

2012年，楊茂君課題組首次解析了II-型線粒體複合物I NDH2家族成員的典型代表——釀酒酵母Ndi1處於無底物、NADH結合狀態、泛醌（UQ）結合狀態和NADH-泛醌（NADH-UQ）結合狀態四種狀態下的晶體結構【5】。該結構全面揭示了Ndi1的調控及其介導電子傳遞的詳細機制，並為針對NDH2的藥物設計以及更好地將Ndi1應用於基因治療奠定了良好的基礎。

2000年，研究人員發現線粒體複合物並不是完全獨立存在的，而是相互結合形成更高級的組織形式——呼吸鏈超級複合物。後續的研究發現，單獨的呼吸鏈複合物之間通過不同的組合方式相互結合，可以形成多種類型的超級複合物，其中具有完整呼吸活性的超級複合物又被稱作呼吸體。哺乳動物中丰度最高、最為重要的呼吸體是由1個複合物I，1個複合物III的二聚體和1個複合物IV組成的，即I1III2IV1。

儘管幾十年來，中外科學家在線粒體呼吸鏈單個複合物的結構與功能領域取得了巨大的成就，但是由於線粒體呼吸鏈複合物中每一個單獨的複合物都對應著多個理論來描述它們傳遞電子以及轉運質子的分子機制，所以各呼吸鏈複合物之間電子是如何傳遞並不清楚。呼吸鏈超級複合物的高解析度結構將為人類深刻理解哺乳動物線粒體呼吸鏈的組成形式和工作機理提供了關鍵的結構信息。

近幾年，由於直接電子探測器的發明和應用，以及高解析度圖像處理演算法的改進（Relion程序），冷凍電鏡領域獲得了革命性突破。楊茂君課題組僅僅抓住機遇，率先在線粒體呼吸鏈超級複合物領域取得一系列重要突破。

2016 年，楊茂君課題組率先攻克了哺乳動物線粒體呼吸鏈超級複合物的原子解析度結構這一世界難題【1,2】。呼吸體是包括 44 個膜蛋白在內的 81 個蛋白亞基（69 種不同蛋白分子）所構成的超大分子機器。該系列研究揭示了複合物 I 各亞基之間細緻的相互作用，鑒定出了各複合物蛋白亞基之間及複合物之間的結合方式，發現了磷脂分子在呼吸體結構中發揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君教授依據結構信息提出了全新的線粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質子轉運的模型。該模型與目前占統治地位的、1975 年由諾貝爾獎獲得者彼得?米切爾（PeterD.Mitchell）提出的 Q-循環（Q-Cycle）假說完全不同。

在此次發表的Cell論文中，楊茂君教授研究組在世界範圍內首次從體外培養的人源細胞中分離、純化出高純度的呼吸鏈蛋白複合物，解析了呼吸鏈超級和超超級複合物的三維結構，從而第一次直接證明了高於呼吸體的呼吸鏈超超級蛋白複合物的組織形式的存在（下圖）。

人源呼吸鏈超超級複合物整體結構。左圖上，人源線粒體呼吸鏈超超級複合物I2III2IV2結構模型；左圖下，線粒體膜間隙一側，複合物III和IV中細胞色素c結合位點。右圖上，線粒體呼吸鏈複合物完整聚合形式預測模型I2II2III2IV2；右圖下，線粒體膜間隙一側，細胞色素c參與電子傳遞時在複合物III和IV之間的運動路徑。Megacomplex，超超級複合物；M線粒體基質；IM，線粒體內膜；IM，線粒體膜間隙；CI，複合物I；CII，複合物II；CIII，複合物III；CIV，複合物IV；Cyt.c，細胞色素c。

該研究是一百多年以來人類針對線粒體呼吸鏈蛋白研究中在世界範圍內首次獲得的人源蛋白質複合物結構。在該論文中，楊茂君教授研究組首次闡述了人源線粒體複合物 I （3.4-3.7?）， 複合物 III（3.4 ?），複合物 IV（5.2 ?），超級複合物I1III2IV1（3.9 ?）和超超級複合物 I2III2IV2（17.4 ?）的結構（上圖）。文章重點闡釋了呼吸鏈超超級複合物 I2III2IV2近乎中心對稱的環形結構。有趣的是，在二聚的複合物 III 線粒體膜間隙一側觀測到了兩個處於結合狀態的細胞色素 c 蛋白亞基，該結構細節有力地證明了環形結構中心的兩個複合物 III 的單體都是有活性的，否定了之前其他研究組提出的複合物 III 半失活理論。此結果進一步支持了楊教授之前提出的全新的電子傳遞模型，而非長久以來佔領學界的 Q 循環（Q-Cycle）模型。

此外，通過計算機模擬的方法，楊教授研究組還首次將複合物 II 的結構嵌入進呼吸鏈超級複合物的模型之中，由此可以推論在線粒體呼吸鏈中四個電子傳遞鏈蛋白將組合成一個更大的超超級複合物I2III2IV2來更高效的發揮功能，從而將全部四個呼吸鏈電子傳遞鏈複合物在結構水平統一到了一起，巧妙的預測了呼吸鏈複合物全新的完整聚合形式，為之後的研究提供了一條新的思路。

據悉，該文章在審稿過程中，審稿人給予了高度評價，認為「這一由140個亞基構成的環形結構令人印象深刻，為線粒體呼吸鏈複合物的組成形式提供了史無前例的視點」（「The circular structure with a total of 140 subunits is impressive and provides unprecedented insight into the mitochondrial respirasome」），「這篇文章是理解線粒體呼吸鏈的結構和功能構成中向前邁出的重要一步」（「This manuscript represents a major step forward in understanding the structural and functional organization of the mitochondrial respiratory chain」）。

總之，楊茂君課題組首次獲得了來源於人類細胞的線粒體呼吸鏈蛋白複合物樣品，並且運用冷凍電鏡三維重構的方法首次成功解析了比呼吸體更高聚集形式的呼吸鏈超超級複合物的三維結構，證明了線粒體呼吸鏈複合物存在更高級的組成形式，為此前一直處於各種猜想階段的最高級線粒體呼吸鏈複合物組織形式的存在提供了直接的證據，是該研究領域的一項具有劃時代意義的重大研究突破。這一系列結構的解析不僅闡明了線粒體呼吸鏈複合物的作用方式及反應機理，也為人類攻克線粒體呼吸鏈系統異常所導致的疾病（如阿茲海默綜合症、帕金森綜合症、多發性硬化、少年脊髓型共濟失調以及肌萎縮性脊髓側索硬化症等）提供了一個良好的開端。

清華大學生命科學學院博士生郭潤域、宗帥、吳萌，結構生物學高精尖創新中心卓越學者項目博士後谷金科是該論文的共同第一作者，楊茂君教授為論文的通訊作者。

參考文獻：

1、Guo, R., Zong, S., Wu, M., Gu, J. & Yang, M. Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2.Cell(2017).

2、Gu, J. et al. The architecture of the mammalian respirasome.Nature537, 639-643（2016）

3、Vartak R, Porras CA, Bai Y (2013) Respiratory supercomplexes: structure, function and assembly.Protein Cell4:582–590.

4、Sun F et al (2005) Crystal structure of mitochondrial respiratory membrane protein complex II.Cell121:1043–1057.

5、Feng, Yue, et al. "Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases."Nature491.7424 (2012): 478.

楊茂君教授簡介

楊茂君，結構生物學家，現任清華大學生命科學學院教授，國家「傑青」、長江學者。1999年畢業於吉林大學生命科學學院，2003年獲得中國協和醫科大學獲博士學位（從師從王琳芳院士，2001年10月進入清華大學饒子和院士實驗室從事SARS蛋白酶晶體結構方面的研究），後加入美國西南醫學中心從事博士後研究。2008年特聘為清華大學生命科學學院研究員、博士生導師；2011年受聘為清華-北大生命科學聯合中心研究員；2013年成為清華大學教授（tenured）。楊茂君教授先後發表SCI論文50餘篇，合計他引1900餘次。自2008年加入清華大學以來，先後在Nature（2012;2015;2016）、Cell（2016;2017）和PNAS（2012;2015）等雜誌發表通訊作者SCI論文24篇。已獲授權專利一項。首次報道了二型線粒體呼吸鏈複合物I的晶體結構，並對其功能、工作機制及藥物研發進行了詳細的研究；首次報道了哺乳動物及人源線粒體呼吸鏈超級複合物—呼吸體的冷凍電鏡原子解析度三維結構，為相關藥物開發奠定了良好的基礎。此外，楊茂君教授曾獲得多項榮譽與獎勵，包括霍英東基礎研究獎勵、教育部新世紀優秀人才支持計劃、茅以升北京青年科技獎、葯明康德生命化學研究獎、談家楨生命科學創新獎等。值得一提的是2016年在Cell雜誌報道了哺乳動物線粒體呼吸鏈超級複合物的結構與功能，該成果入選2016年中國生命科學領域十大進展，該論文還入選Cell Press中國年度論文。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！