呼吸鏈上的蛋白質結構20年來教科書可能搞錯了

　　《細胞研究》雜志日前發表了一項研究成果，有望推翻教科書上的結論。論文顯示，生物體呼吸鏈中的第4個成員——復合物4的實際結構和科學家歷經多年探究繪制而成的并不一樣。

　　 呼吸鏈，顧名思義，與呼吸有關，完成著生命活動中至關重要的部分。每人每天呼吸將近27000次，吸入氧氣，呼出二氧化碳的同時，有機物分解釋放能量，而氧氣在體內變成水。呼吸通過氧氣與二氧化碳的置換，完成支撐生命的氧化還原反應。微觀地看，這個普遍卻性命攸關的化學反應正是發生在體內的呼吸鏈上。

　　 走進細胞內部，你會發現一個稱為線粒體的細胞器，在它的內膜上鑲嵌著完成生命化學反應的諸多蛋白質。一系列的“電子傳遞接鏈”蛋白復合物組成了呼吸鏈，將電子從鏈的一頭遞送到另一頭，最終電子傳遞給氧氣的變成水。這條重要的“鏈”環環相扣，即使稍微出現差錯就會導致嚴重的疾病，甚至導致神經系統疾病，例如老年癡呆癥。

　　 論文通訊作者、清華大學生命科學學院教授楊茂君表示，越清晰地了解蛋白質的精細結構，越能夠參透生命體的運轉。“可以明確知道哪個原子出了問題，并設計藥物有的放矢地干預，以達到治療效果。”

　　 蛋白質機器干活、失活兩個樣兒

　　 呼吸鏈掌管著呼吸作用的最基礎運轉，這條鏈包含上百種組分，包括5個復合物、細胞色素C等。

　　 這是一座有條不紊的蛋白質工廠，每個復合物可以看成是固定在線粒體內膜上的一條流水線，通過自身構象的變化推動電子在其上流動。

　　 “每個復合物由多個不同亞基組成，亞基間的相互作用力與蛋白構象密切相關，歷史上有過一段時間，只要解析出單個亞基或者幾個亞基的結構，論文就可以上頂級雜志。”楊茂君說。

　　 困難在于，蛋白質機器在干活的時候是一個樣兒，而將它從體內提取出來，失活的時候又是另一個樣兒了。而人們卻難以在蛋白質“工廠”為生命活動運轉時觀察它。

　　 把復合物從生物體中通過破解細胞、提取蛋白并分離純化后，再進行光學領域的觀測，是目前常用的研究手段。隨著X射線晶體學、冷凍電鏡等重要觀測手段的進步，結構生物學得以長足發展，人們可以直接獲得蛋白質晶體的構象圖片。然而，對于一系列的圖像，人們的理解可能并不相同。只有能夠解釋所有現象的理論，才與真相相符。

　　 揭開二聚體界面上的“未知”

　　 “自從二十多年前首次解析了復合物4結構之后，科學家們先后解析了四十幾個復合物4的晶體結構，無一例外所有晶體結構中復合物4都是13+13的二聚體。”楊茂君說人們認為復合物4的結構是由13個亞基組成單體，再由兩個單體組成二聚體。

　　 然而，“在我們純化超級復合物的時候，總有一些復合物4會從超級復合物中解離，并在蛋白膠（一種分離蛋白的膠體）上復合物單體的位置出現。”楊茂君說，這與人們對于復合物4一直以來的認識是不同的。

　　 實驗結果與理論不符讓楊茂君決定一探究竟。他發現，此前關于復合物4的解析存在一個明顯的時間“分水嶺”，近期解析的超級復合物中，所有的復合物4又都是單體。楊茂君解釋，這是因為觀測方法發生了變化，之前一直使用X射線衍射方法來測定晶體結構，而后隨著冷凍電鏡手段的發展，人們轉換了測定方法。

　　 既然不同的實驗手段會得到不同的蛋白質結構，那么它在體內運轉時究竟是什么樣子呢？

　　 獲得答案必須追本溯源。實驗數據是一切理論的源頭。楊茂君決定專門純化復合物4。歷時半個月，該團隊獲得高分辨率的復合物4結構。“拿到密度圖之后，我仔細分析了各個亞基的情況，結果發現13個亞基都吻合匹配，只是在原來認為結合另一個復合物4形成二聚體的界面上存在一團‘未知’。”

　　 他發現，近年來學術界爭議的焦點在于：復合物4到底是2×13個亞基還是14個亞基。爭論的焦點在于一個被稱為NDUFA4的亞基，此前認為這個亞基是復合物1的一個亞基，然而隨著研究的深入，這個亞基卻經常跟復合物4一起被純化出來。

　　 這團“未知”是不是正好是人們爭論的焦點——亞基NDUFA4呢？“我立刻做了一個模型，進行匹配，發現匹配吻合，那團‘未知’正是亞基NDUFA4。”楊茂君說。

　　 糾錯的底氣來自扎實的原始實驗數據

　　 這出“張冠李戴”的戲碼為什么會發生？13個亞基為什么會拋下單獨的亞基NDUFA4相互“連體”呢？

　　 “我們發現，NDUFA4亞基之所以‘行蹤不定’，是因為以往純化復合物4時會加入一種超強的去垢劑，而這種去垢劑可以把一個穩定結合在復合物4蛋白中的心磷脂拽下來。”楊茂君解釋，而這個心磷脂恰恰又對NDUFA4的結合至關重要。

　　 更巧合的是，這個“愛逃跑”的亞基結合的界面又是一個關鍵界面，它存在的時候，阻止了13個亞基的復合物“連體”，它被拽下后，讓出了位置，使得二聚體出現。

　　 至此，人們對于復合物4的“誤解”終于揭開謎底。“正確的蛋白質結構，能夠讓我們更加清晰的了解電子傳遞的路徑。”楊茂君說，在復合物4的反應中心，氧氣生成了水，同時另一部分質子（H+）直接被泵入線粒體膜間隙中留作它用。

　　 事實上，遠在論文發表前幾年，楊茂君就明確了復合物4的結構。面對論文為什么會晚發表的問題，楊茂君回答，“我們要通過全面的實驗來驗證它是對的，畢竟這個理論已經主導了學界20多年，我們提出全新的觀點必須做到嚴謹。”

　　 楊茂君認為，原始創新的第一步很可能是科學研究中的“反常”。如同福爾摩斯用敏銳的觀察力斷案，科學家要對“反常”中體現的真理有敏銳的觸感。

　　 “遇到與理論相悖的實驗，我們會先從自身找原因，對實驗重復、再重復。如果結果依然，再努力證明所看到的反常現象是對的。”楊茂君說，實驗室的傳統是，即便得到的實驗結果非常符合預期，也要至少重復三次，以保證結果是對的。也正是這些扎實的原始實驗數據，給了楊茂君團隊對教科書說“不”的底氣。