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揭开呼吸链 超级复合物的“庐山真面目”

杨茂君实验室全体成员合影

杨茂君团队颁发在《细胞》杂志网站的照片

猪源呼吸链超级复合物中中分辨率三维布局(局部)

猪源超级复合物的高分辨率布局(局部)

疟原虫Ndh2二聚体的高分辨率三维布局(局部)

人源呼吸链超超级复合物的布局模型(局部)

从基质侧察看的ATP合成酶四聚体的布局(局部)

杨茂君教授很知足自己的微信头像,作为清华大年夜门生命科学学院教授,做线粒体呼吸链钻研十余年,他把一张满是中国元素“飞龙”的图片做成头像,丹青中奔跑的“二龙”:一条是年画中威武的“中国龙”,另一条“龙”由呼吸链中蛋白质机械的三维图“幻化”而成(左图)。

在吸收科技日报记者采访时,杨茂君表示,这张图是颁发在国际顶级期刊《细胞》杂志网站首页的照片,它代表着所在团队在生命科学领域取得的一项冲破性成果。

呼吸,是生命的体征和原动力,人无时无刻不在呼吸,呼吸感化主要由位于线粒体内膜上的呼吸链超级复合物完成,对线粒体呼吸链的钻研不停都是生命科学领域的热点之一。1978年Peter D.Mitchell因提出线粒体呼吸链的化学渗透假说,1997年John E.Walker因说明三磷酸腺苷(ATP)合成酶的三维布局得到诺贝尔化学奖;日前,William G.Kaelin等科学家因发清楚明了氧气感知通路(生命体对缺氧和富氧做出不合反映的分子机制)得到了2019年诺贝尔心理学或医学奖。

早在2008年刚返国组建实验室时,杨茂君教授就认定了线粒体呼吸链这个钻研偏向。当时,处于呼吸链上游的超级复合物的布局及功能的钻研,在我国还比拟较较后进,面对这块难啃的“骨头”,他有时也会感叹“前路漫漫”。

颠末十年如一日的潜心钻研,杨茂君团队在这条探索之路上终于取得了一系列成果:霸占了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物的原子分辨率布局这一难题;首次从体外培养的人源细胞平分离、纯化出高纯度的呼吸链蛋白复合物,并且首次发明并解析了人源超超级复合物I2III2IV2的高分辨率三维布局。相关钻研成果“线粒体呼吸链蛋白的布局与功能钻研”得到了2018年度北京市科学技巧奖二等奖。

首次解析呼吸链超超级复合物高分辨率布局

什么是呼吸链呢?

线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所,是细胞的“动力车间”,细胞生命活动所需的能量,大年夜约95%来自线粒体。线粒体里面有一层褶皱很多的内膜,内膜上有临盆能量的“机械”——蛋白质,这些蛋白质在内膜上完成氧气、电子、质子等物质的“搬运”“安装”等事情,这条孕育发生能量的“流水线”被称为呼吸链。杨茂君教授团队所做的,恰是将这些“机械”的“配件”一点点拆解开来,并为其画出精细的布局。

想要钻研呼吸链超级复合物的功能,首先要能够看清它的“样子容貌”。昔人的钻研注解,呼吸感化由位于线粒体内膜上的4种呼吸链蛋白复合物分步完成。这四种蛋白复合物分手为复合物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)。

“复合物并不是零丁存在,而因此不合的形式组合形成超级复合物,因为今朝很多繁杂的大年夜分子物质难以得到晶体,X射线晶体学成像便无法得到其高分辨率布局,是以必要借助最新科技成果——冷冻电镜技巧来协助。”杨茂君教授说道,“经由过程筛选、添加大年夜量活性小分子化合物,我们开拓并优化了蛋白纯化新措施,终极得到了布局稳定、均一性好、纯度较高的猪源线粒体超级复合物,借助单颗粒冷冻电镜技巧,解析了超级复合物的布局,整体分辨率达到3.6到4.0埃,可以不雅测到蛋白质亚基之间繁杂而细致的互相感化,并使用此措施得到了人源呼吸链超超级复合物(I2III2IV2,由2个复合物I、1个复合物III的二聚体、2个复合物IV和2个细胞色素c蛋白组成)的高分辨率三维布局。”这是当时天下上所解析的最大年夜、也是最繁杂的膜蛋白超级复合物布局,为人类深入理解哺乳动物呼吸链复合物的组织形式、分子机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病供给了紧张的布局根基。相关钻研成果已颁发在国际顶级期刊《自然》《细胞》上。

基于得到的高分辨率布局,杨茂君教授提出了全新的电子通报机制,新提出的电子通报模型斟酌到了超级复合物的存在形式,全部历程中不会孕育发生超氧自由基,并且具有更高的电子通报效率,从能量转换的角度来说对能量的使用加倍高效,从布局上斟酌也加倍合理。今朝,这一理论还处于假设阶段,必要后续加倍精细的生归天学实验对其加以验证。

若何使用解析出的蛋白质布局研发靶向药物,治疗呼吸链非常引起的疾病,让科学钻研为人类的康健办事也是今朝钻研的重点。杨茂君教授奉告记者:“因为II型复合物I只存在于低等生物中,以是它被觉得是一种很好的抗衡病原体的特异性靶标分子。例如,疟疾是受到举世关注的紧张公共卫生问题之一,经由过程筛选,科学家发明存在两种化合物可以与靶蛋白共结晶,而且对细胞毒性较低。其与青蒿素有协同抗疟疾感化,是以具有与青蒿素联合用药成长新的疟疾治疗措施的潜能。该事情为抗疟疾药物研发供给了紧张信息,依据该信息的抗疟疾药物也正在研发之中。”

科学钻研要不唯书、不唯上、只唯实

卖力察看、大年夜胆假设、小心求证是得到原创性冲破成果的“三大年夜法宝”。论文颁发后,杨茂君教授时常端详这组复合物,复合物I、III、IV像乐高玩具的组件一样被拼插在一路。

“我发明这里空着。”杨茂君教授一边指一边对记者说,复合物III伸出一只“手臂”,“颠末亿万年的进化,生物体弗成能让另一边这样挥霍着,肯定还有没被发明的布局”。

杨茂君教授富有创意地用“中国龙”图案来代替未被揭秘的对称面,这恰是颁发在《细胞》上的论文配图的由来。

杨茂君教授信托这一钻研可以更进一步,然则线索在哪儿?

“对称才是美的,伸出的这边很可能结合着其他的复合物。”杨茂君教授抉择从新纯化复合物IV,“拿到密度图之后,我仔细阐发了各个亚基的环境,结果发明13个亚基都吻合匹配,只是在原本觉得结合另一个复合物IV形成二聚体的界面上呈现一团‘不明物体’。经由过程建立模型,进行匹配,发明那团‘不明物体’是亚基NDUFA4。在以往纯化复合物IV时,亚基NDUFA4因为超强去垢剂的加入而无法稳定结合。”

至此,复合物IV的答案终于被揭开。“精确的蛋白质布局,能够让我们加倍清晰地懂得电子通报的路径。在复合物IV的反映中间,氧气天生了水,同时另一部分质子(H+)被直接泵入线粒体膜间隙中留作他用。”杨茂君说,“在漫长的钻研历程中,我们天天面对的不是成功的喜悦,而是各类掉败,但恰是在掉败的根基上徐徐发明本相的历程,才最让人愉快。”

科学家要为人类康健和未来成长思虑

对线粒体呼吸感化的钻研不仅具有紧张的科学意义,而且有助于霸占多种严重的综合性疾病。

“人类线粒体呼吸链系统非常会导致多种疾病,例如,阿尔茨海默综合征、帕金森综合征、多发性硬化等,我们的钻研成果为这些疾病供给了一种治疗的可能性,盼望我们的钻研终极能够被转化成治病救人的药物。”杨茂君教授对记者说道,越深入地懂得蛋白质的精细布局,越能够参透生命体的运转。“经由过程钻研,我们可以明确知道哪个原子出了问题,并设计药物对症下药地干预疾病,以达到治疗效果。”

钻研团队今朝正在对已经上市的1400多种药物进行阐发,发明有56种药物的感化靶点在呼吸链上。

“例如,呋塞米能匆匆进细胞呼吸,前进氧气使用效率,是今朝最有效的抗高原反映药物,其感化靶点恰是在呼吸链上。病人在服用有些药物后会孕育发生心悸、无力等副感化,这些发明可以赞助科学家改进药物,以消减其副感化。”杨茂君教授表示。

在杨茂君教授心坎深处,有一个最终贪图:经由过程科学钻研,实现人体温度的调控,以延长人的寿命。“要是某人患上医学领域某种今朝还不能被治愈的疾病,可以选择把他的体温降下来,保持根基代谢,让他进入就寝状态。过20年,这个病能治了,再让他复苏,吸收更好的治疗。”他对记者说道。

之以是有这样的最终贪图,杨茂君教授表示,并不是天马行空,人体体温热量主要滥觞于线粒体,实现这个贪图的冲破口就在线粒体的钻研上。

呼吸是机体最基础的生命活动,最为寻常却又十分神秘,揭开呼吸链超级复合物的“庐山真面貌”,探索自身生命活动的规律,是人类医药康健成长历史上一个永恒的话题。

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