楊茂君教授研究組發(fā)表文章揭示呼吸鏈復(fù)合物III的不完全對稱結(jié)構(gòu)
2018年3月6日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君教授研究組在《蛋白&細(xì)胞》(Protein&Cell)雜志發(fā)表題為《UQFCRFS1N介導(dǎo)呼吸鏈復(fù)合物III組裝形成不完全對稱的21亞基二聚體》(UQCRFS1N assembles mitochondrial respiratory complex III into an asymmetric 21-subunit dimer)的文章，通過對此前呼吸鏈復(fù)合物III晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析，解釋了此前復(fù)合物III結(jié)構(gòu)中普遍存在的一項重大缺陷，并通過重新計算提出了復(fù)合物III新的亞基組成和不完全對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合呼吸鏈超級復(fù)合物的研究認(rèn)為復(fù)合物III存在兩種形式且兩個亞基都具有生物學(xué)活性，為超超級復(fù)合物的形成提供了支持。
雖然高等生物線粒體呼吸鏈復(fù)合物III的結(jié)構(gòu)在20多年前就已經(jīng)分別得到了解析，相關(guān)科學(xué)研究先后解析了該復(fù)合物近50個結(jié)構(gòu)，但是楊茂君教授在其研究中發(fā)現(xiàn)，以往所解析這些結(jié)構(gòu)在組份構(gòu)成及結(jié)論上存在著一個普遍的漏洞。一個非常奇怪的現(xiàn)象是，在所有已經(jīng)解析的46個多物種來源的復(fù)合物III的晶體結(jié)構(gòu)中均沒有UQCRFS1N亞基全長蛋白的結(jié)構(gòu)。常言道，“事出反常必有妖”，楊茂君教授認(rèn)為之前關(guān)于UQCRFS1N亞基的處理一定有不合理的地方。
通過對此前的牛源復(fù)合物III (PDB:2A06)和雞源復(fù)合物III (PDB:3TGU)的晶體結(jié)構(gòu)的重新計算（圖一），楊茂君教授發(fā)現(xiàn)此前認(rèn)為在兩個復(fù)合物III的單體中都存在完整的UQCRFS1N亞基的思維定勢是不正確的，事實上，在一個復(fù)合物III的兩個單體中只存在一個完整的UQCRFS1N亞基，其N端位于復(fù)合物III的一個單體中，C端位于復(fù)合物III的另一個單體中。也就是說，一個完整的UQCRFS1N亞基將復(fù)合物III的兩個單體連接起來了，每個復(fù)合物III的單體結(jié)合UQCRFS1N亞基的位點(diǎn)都既可以結(jié)合UQCRFS1N的N端又可以結(jié)合UQCRFS1N的C端。但是UQCRFS1N的N端和C端具有不同的構(gòu)象，也就是說復(fù)合物III事實上是一個不完全對稱的二聚體，而之前的結(jié)構(gòu)分析正是由于忽略了這一點(diǎn)而將復(fù)合物III兩個單體中UQCRFS1N的結(jié)合位點(diǎn)按照完全對稱的情況來處理導(dǎo)致計算出的UQCRFS1N電子云密度模糊不清，因而無法獲得全長的UQCRFS1N的結(jié)構(gòu)。
在得出復(fù)合物III是一個不完全對稱的二聚體的結(jié)論后，楊茂君教授研究組意識到復(fù)合物III在超級復(fù)合物I1III2IV2的結(jié)合中是具有方向性的。在對研究組得到的超級復(fù)合物的電鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物III在超級復(fù)合物中結(jié)合的兩種方向都具有活性，也從側(cè)面論證了超級復(fù)合物中復(fù)合物III的兩個單體都是有生理活性的，因而也為超超級復(fù)合物I2III2IV2的形成提供了支持。
總結(jié)而言，通過對以往呼吸鏈復(fù)合物III晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的重新分析，楊茂君教授發(fā)現(xiàn)復(fù)合物III不是傳統(tǒng)意義上的由11種不同亞基，22個蛋白構(gòu)成的對稱二聚體，而是由21個亞基構(gòu)成的不對稱二聚體，其中UQCRFS1N亞基的N和C兩個末端分別插入兩個由10種亞基構(gòu)成的復(fù)合物中，進(jìn)而介導(dǎo)它們的二聚化。該發(fā)現(xiàn)不僅指出了20多年來相繼解析的46個高等生物復(fù)合物III結(jié)構(gòu)中的漏洞，完美的解釋了為什么這么多晶體結(jié)構(gòu)中從來都沒有人構(gòu)建出完整的UQCRFS1N亞基的結(jié)構(gòu)，而且讓我們重新認(rèn)識了該復(fù)合物的組裝及發(fā)揮功能的過程。因此，以往與復(fù)合物III的組裝過程相關(guān)的一些研究需要重新考慮結(jié)論是否合理。
本工作獲得清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心、國家蛋白質(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)實驗室、科技部重大科學(xué)研究計劃專項、國家杰出青年基金和國家自然科學(xué)基金的大力支持。
圖一 呼吸鏈復(fù)合物III修正后的晶體結(jié)構(gòu)(PDB:2A06)
A. 修正后復(fù)合物III的整體結(jié)構(gòu)，顯示UQCRSF1N的結(jié)合位點(diǎn)
B. UQCRFS1N結(jié)合在復(fù)合物III中的兩種方向，揭示了復(fù)合物III不完全對稱的性質(zhì)
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