清華大學獨家發Cell文章：三篇頂級雜志文章突破性成果

　　2012年，清華大學楊茂君教授研究組就曾在Nature雜志上發文，首次報道了II-型線粒體呼吸鏈復合物I；去年這一研究組又詳細闡釋了豬源呼吸鏈超級復合物I1III2IV1的原子分辨率三維結構；在8月25日Cell雜志最新一期，楊茂君教授研究組首次成功解析了比呼吸體更高聚集形式的呼吸鏈超超級復合物的三維結構：I2III2IV2。

　　這多項研究成果提出了全新的電子傳遞模型，為解析由于線粒體呼吸鏈系統異常導致的疾病的病理原因提出了新的見解，同時楊茂君教授研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術也為今后的藥物研發打下了良好的基礎。

　　據報道，呼吸作用是生物體內最基礎的能量代謝活動之一，是由位于線粒體內膜上的四種呼吸鏈蛋白復合物分步完成的，這四種蛋白復合物分別為復合物I（NADH脫氫酶）、復合物II（琥珀酸脫氫酶）、復合物III（細胞色素c還原酶）和復合物IV（細胞色素c氧化酶）。以這些復合物為基礎，可以聚合形成多層次的呼吸鏈超級復合物乃至超超級復合物，獲得更高的穩定性和更高的能量轉換效率。一百多年來，對線粒體呼吸鏈的研究一直都是國際生命科學領域的熱點之一。彼得?米切爾（Peter D. Mitchell）曾于1978年因提出線粒體呼吸鏈的化學滲透假說而獲得了諾貝爾化學獎；1997年英國著名結構生物學家約翰?沃克（John E. Walker）因對線粒體復合物V（ATP合成酶）的結構生物學研究而獲得諾貝爾化學獎。

　　楊茂君教授研究組長期致力于線粒體呼吸鏈蛋白的結構與功能研究，此前曾于2012年在《自然》雜志報道了II-型線粒體呼吸鏈復合物I（NDH2）的結構，揭示了其調控及電子傳遞機制，為設計針對NDH2為靶點的藥物奠定了良好的基礎。

　　2017年楊教授研究組又分別在《PCCP》、《JMC》等雜志連續報道了NDH2的詳細電子傳遞機制，同時開發了以瘧原蟲NDH2為靶標的針對耐藥性瘧原蟲的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開發新的治療瘧疾的藥物打下了良好的基礎。經過多年的努力，楊茂君教授研究組于2016年終于攻克了哺乳動物線粒體呼吸鏈超級復合物的原子分辨率結構這一國際性難題。該復合物是由一個復合物I，兩個復合物III和一個復合物IV構成。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。該系列研究揭示了復合物I各亞基之間細致的相互作用，鑒定出了各復合物蛋白亞基之間及復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?米切爾提出的Q-循環（Q-Cycle）假說完全不同。

　　在這些研究的基礎上，楊茂君教授研究組突破性地解析了目前所知的人源呼吸鏈蛋白質最高級的組織形式——超超級復合物（MCI2III2IV2）中高分辨率三維結構,以及超級復合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率結構。

　　這項研究首次獲得了來源于人類細胞的呼吸鏈蛋白復合物樣品，并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復合物的三維結構，證明了線粒體呼吸鏈復合物存在更高級的組成形式，為此前一直處于各種猜想階段的最高級線粒體呼吸鏈復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重大研究突破。

　　具體來說，研究人員在世界范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復合物，解析了呼吸鏈超級和超超級復合物的三維結構，從而第一次直接證明了高于呼吸體的呼吸鏈超超級蛋白復合物的組織形式的存在。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范圍內首次獲得的人源蛋白質復合物結構。

　　在該論文中，楊茂君教授研究組首次闡述了人源線粒體復合物I （3.4-3.7?）， 復合物III（3.4 ?），復合物IV（5.2 ?），超級復合物I1III2IV1（3.9 ?）和超超級復合物I2III2IV2（17.2 ?）的結構。 此外，文章中重點報道了呼吸鏈超超級復合物近乎中心對稱的環形結構。有趣的是，在二聚的復合物III線粒體膜間隙一側觀測到了兩個處于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復合物III的單體都是有活性的，否定了之前其他研究組提出的復合物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，而非長久以來占領學界的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復合物II的結構嵌入進呼吸鏈超級復合物的模型之中，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復合物來更高效的發揮功能，從而將全部四個呼吸鏈復合物在結構水平統一到了一起，巧妙的預測了呼吸鏈復合物全新的完整聚合形式，為之后的研究提供了一條新的思路。

　　人類線粒體呼吸鏈系統異常會導致如阿茲海默綜合癥、帕金森綜合癥、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癥等多種疾病。由于人源線粒體呼吸鏈蛋白復合物的純化條件極為苛刻、難度系數大，所以針對這些蛋白的藥物篩選一直都很難開展。楊茂君教授研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術為今后的藥物研發打下了良好的基礎，其結構的解析不僅闡明了這些蛋白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提供了一個良好的開端。

　　在文章的審稿過程中，審稿人指出“The circular structure with a total of 140 subunits is impressive and provides unprecedented insight into the mitochondrial respirasome. ”。（這一由140個亞基構成的環形結構令人印象深刻，為線粒體呼吸鏈復合物的組成形式提供了史無前例的視點）“This manuscript represents a major step forward in understanding the structural and functional organization of the mitochondrial respiratory chain.”。（這篇文章是理解線粒體呼吸鏈的結構和功能構成的重要一步）。楊茂君教授研究組今后將對線粒體呼吸鏈繼續進行更加深入的研究，希望獲得處于不同反應中間態的呼吸鏈復合物群的分辨率更高的三維結構，并將致力于研發治療線粒體異常疾病的新型靶向藥物。“生死只在呼吸之間”，楊教授曾多次在公開演講中提到：“呼吸是最基本的生命活動，最為平常但卻十分神秘。針對呼吸作用的研究我們已經走在世界前列，但是許多重要的細節仍在等待未來科學家們通過共同的努力來加以解析。希望我們的研究能為人類對生命現象的認知作出更大的貢獻。”

　　清華大學生命科學學院博士生郭潤域（15級）、宗帥（13級）、吳萌（14級），結構生物學高精尖創新中心卓越學者谷金科（17級博士后）是此篇論文的共同第一作者，此外，郭潤域、吳萌和谷金科還是另外兩篇《自然》和《細胞》論文的共同第一作者，楊茂君教授為此系列論文的通訊作者。電鏡數據采集于清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學高性能計算平臺的支持。本工作獲得清華大學結構生物學高精尖創新中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地、生命科學聯合中心、清華大學自主科研基金、清華大學蛋白質科學教育部重點實驗室、科技部重大科學研究計劃專項、國家杰出青年基金、國家自然科學基金的大力支持。