清華大學(xué)楊茂君教授研究組在《細(xì)胞研究》發(fā)表論文首次報(bào)導(dǎo)人源細(xì)胞色素c氧化酶的完整結(jié)構(gòu)
2018年7月20日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君教授研究組在《細(xì)胞研究》（Cell Research）在線發(fā)表題為《14個(gè)亞基組成的人源細(xì)胞色素c氧化酶的完整結(jié)構(gòu)》（Structure of the intact 14-subunit human cytochrome c oxidase）的研究論文，首次報(bào)導(dǎo)了人源細(xì)胞色素c氧化酶（呼吸鏈復(fù)合物IV）的完整結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到3.3
。完整的人源細(xì)胞色素c氧化酶由14個(gè)亞基組成一個(gè)單體，而不是教科書(shū)中所認(rèn)為的兩個(gè)13個(gè)亞基組成的二聚體，這項(xiàng)工作糾正了二十多年來(lái)在細(xì)胞色素c氧化酶的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究中的錯(cuò)誤，拓展了對(duì)細(xì)胞色素c氧化酶的認(rèn)識(shí)與理解。
呼吸作用是細(xì)胞內(nèi)最基本的能量代謝活動(dòng)之一，生物體攝入的有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)通過(guò)一系列生化反應(yīng)后生成水、二氧化碳和其他產(chǎn)物，并釋放出能量。線粒體呼吸鏈位于線粒體的內(nèi)膜上，包含四個(gè)膜蛋白復(fù)合物以及電子傳遞配體輔酶Q和細(xì)胞色素c等。這四個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)合物分別是復(fù)合I（NADH脫氫酶），復(fù)合物II（琥珀酸脫氫酶），復(fù)合物III（細(xì)胞色素c還原酶）和復(fù)合物IV（細(xì)胞色素c氧化酶）。線粒體呼吸鏈將電子轉(zhuǎn)移到氧的同時(shí)，把質(zhì)子泵到線粒體膜間隙內(nèi)產(chǎn)生質(zhì)子梯度并驅(qū)使ATP合成酶（復(fù)合物V）合成能量分子ATP。
圖1. 完整的人源細(xì)胞色素c氧化酶示意圖。CIV，細(xì)胞色素c氧化酶；NDUFA4，細(xì)胞色素c氧化酶的第十四個(gè)亞基；CDL，心磷脂。
自1995年原核細(xì)胞色素c氧化酶的結(jié)構(gòu)被解析以來(lái)，從原核至真核，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，復(fù)合物IV的結(jié)構(gòu)不停涌現(xiàn)。與此同時(shí)，科學(xué)界一直認(rèn)為細(xì)胞色素c氧化酶是一個(gè)同源二聚體，由兩個(gè)各包含13個(gè)亞基的單體組成。但是在本工作中，通過(guò)使用冷凍電鏡收集數(shù)據(jù)并處理后，楊茂君教授解析了人源細(xì)胞色素c氧化酶迄今為止分辨率最高的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)過(guò)往實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納總結(jié)和對(duì)新獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，楊茂君教授在3.3的電子密度中搭建出了細(xì)胞色素c氧化酶的第14個(gè)亞基NDUFA4以及與它相互作用的心磷脂，首次確定了完整的細(xì)胞色素c氧化酶的各個(gè)亞基的位置，并提出了完整的細(xì)胞色素c氧化酶是由14個(gè)亞基組成的并以單體形式存在。
在楊茂君教授解析的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，細(xì)胞色素c氧化酶的組成狀態(tài)均為單體，生化實(shí)驗(yàn)中抽提純化出的細(xì)胞色素c氧化酶也均為單體，但是過(guò)往的晶體結(jié)構(gòu)中細(xì)胞色素c氧化酶都是同源二聚體。在本工作中，楊茂君教授發(fā)現(xiàn)了第14個(gè)亞基NDUFA4，它處于二聚的晶體結(jié)構(gòu)中的二聚結(jié)合界面上，并有一個(gè)心磷脂分子與它相互作用。在過(guò)往的晶體結(jié)構(gòu)研究中，純化的步驟使用了性質(zhì)較強(qiáng)的去垢劑，導(dǎo)致穩(wěn)定結(jié)合在細(xì)胞色素c氧化酶中的心磷脂分子被替換掉，而NDUFA4也從細(xì)胞色素c氧化酶解離出來(lái)。這樣形成的二聚的細(xì)胞色素c氧化酶與體內(nèi)的狀況不一致，也導(dǎo)致學(xué)術(shù)界一直認(rèn)為細(xì)胞色素c氧化酶是一個(gè)同源二聚體。NDUFA4結(jié)構(gòu)的解析解決了這個(gè)矛盾，并解釋了晶體結(jié)構(gòu)中細(xì)胞色素c氧化酶二聚的原因。在本工作中楊茂君教授還發(fā)現(xiàn)，與之前牛源細(xì)胞色素c氧化酶不同，Cox7A2、Cox6A1和Cox8A分別替代了亞基Cox7A1、Cox6A2和Cox8B，這三個(gè)亞基的結(jié)構(gòu)首次被解析。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的博士后宗帥、博士生吳萌、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者谷金科和博士生劉天涯為本文共同第一作者，清華大學(xué)楊茂君教授為本文通訊作者。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)。本工作獲得清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地、清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研基金、清華大學(xué)蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家杰出青年基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。
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