國(guó)際期刊《細(xì)胞》（cell）雜志在線發(fā)表《人源線粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物 i2iii2iv2 的結(jié)構(gòu)》（architecture of human mitochondrial respiratory megacomplex i2iii2iv2）, 突破性地解析了目前所知的人源呼吸鏈蛋白質(zhì)的組織形式——超超級(jí)復(fù)合物（mci2iii2iv2）中高分辨率三維結(jié)構(gòu), 以及超級(jí)復(fù)合物（sci1iii2iv1）的原子分辨率結(jié)構(gòu)（圖 1）。這是繼 2016 年 9 月和 12 月，楊茂君研究組分別在《自然》（nature）雜志和《細(xì)胞》雜志發(fā)表研究長(zhǎng)文，詳細(xì)闡釋了豬源呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物 i1iii2iv1（呼吸體）的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)之后的又一項(xiàng)重大突破。在此次發(fā)表的文章中，楊茂君研究組獲得了來源于人類細(xì)胞的呼吸鏈蛋白復(fù)合物樣品，并且運(yùn)用冷凍電鏡三維重構(gòu)的方法成功解析了比呼吸體更高聚集形式的呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，證明了線粒體呼吸鏈復(fù)合物存在更高級(jí)的組成形式，為此前一直處于各種猜想階段的線粒體呼吸鏈復(fù)合物組織形式的存在提供了直接的證據(jù)，是該研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大研究突破。

呼吸作用是生物體內(nèi)最基礎(chǔ)的能量代謝活動(dòng)之一，是由位于線粒體內(nèi)膜上的四種呼吸鏈蛋白復(fù)合物分步完成的，這四種蛋白復(fù)合物分別為復(fù)合物 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）。以這些復(fù)合物為基礎(chǔ)，可以聚合形成多層次的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物乃至超超級(jí)復(fù)合物，獲得更高的穩(wěn)定性和更高的能量轉(zhuǎn)換效率。一百多年來，對(duì)線粒體呼吸鏈的研究一直都是國(guó)際生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)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(xué)滲透假說而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1997 年英國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家約翰?沃克（john e. walker）因?qū)€粒體復(fù)合物 v（atp 合成酶）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

楊茂君研究組長(zhǎng)期致力于線粒體呼吸鏈蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究，此前曾于 2012 年在《自然》雜志報(bào)道了 ii- 型線粒體呼吸鏈復(fù)合物 i（ndh2）的結(jié)構(gòu)，揭示了其調(diào)控及電子傳遞機(jī)制，為設(shè)計(jì)針對(duì) ndh2 為靶點(diǎn)的藥物奠定了良好的基礎(chǔ)。2017 年楊茂君研究組又分別在《pccp》、《jmc》等雜志連續(xù)報(bào)道了 ndh2 的詳細(xì)電子傳遞機(jī)制，同時(shí)開發(fā)了以瘧原蟲 ndh2 為靶標(biāo)的針對(duì)耐藥性瘧原蟲的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開發(fā)新的治療瘧疾的藥物打下了良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年的努力，楊茂君研究組于 2016 年終于攻克了哺乳動(dòng)物線粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的原子分辨率結(jié)構(gòu)這一國(guó)際性難題。該復(fù)合物是由一個(gè)復(fù)合物 i，兩個(gè)復(fù)合物 iii 和一個(gè)復(fù)合物 iv 構(gòu)成。是包括 44 個(gè)膜蛋白在內(nèi)的 81 個(gè)蛋白亞基（69 種不同蛋白分子）所構(gòu)成的超大分子機(jī)器。該系列研究揭示了復(fù)合物 i 各亞基之間細(xì)致的相互作用，鑒定出了各復(fù)合物蛋白亞基之間及復(fù)合物之間的結(jié)合方式，發(fā)現(xiàn)了磷脂分子在呼吸體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君依據(jù)結(jié)構(gòu)信息提出了全新的線粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)的模型。該模型與目前占統(tǒng)治地位的、1975 年由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者彼得?米切爾提出的 q - 循環(huán)（q-cycle）假說完全不同。

在此次發(fā)表的論文中，楊茂君研究組在世界范圍內(nèi)從體外培養(yǎng)的人源細(xì)胞中分離、純化出高純度的呼吸鏈蛋白復(fù)合物，解析了呼吸鏈超級(jí)和超超級(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，從而次直接證明了高于呼吸體的呼吸鏈超超級(jí)蛋白復(fù)合物的組織形式的存在。該研究是一百多年以來人類針對(duì)線粒體呼吸鏈蛋白研究中在世界范圍內(nèi)獲得的人源蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)。 在該論文中，楊茂君研究組闡述了人源線粒體復(fù)合物 i （3.4-3.7?）， 復(fù)合物 iii（3.4 ?），復(fù)合物 iv（5.2 ?），超級(jí)復(fù)合物 i1iii2iv1（3.9 ?）和超超級(jí)復(fù)合物 i2iii2iv2（17.2 ?）的結(jié)構(gòu)（圖 1）。 此外，文章中重點(diǎn)報(bào)道了呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物近乎中心對(duì)稱的環(huán)形結(jié)構(gòu)。有趣的是，在二聚的復(fù)合物 iii 線粒體膜間隙一側(cè)觀測(cè)到了兩個(gè)處于結(jié)合狀態(tài)的細(xì)胞色素 c 蛋白亞基，該結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有力地證明了環(huán)形結(jié)構(gòu)中心的兩個(gè)復(fù)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(fù)合物 iii 半失活理論。此結(jié)果進(jìn)一步支持了楊茂君之前提出的全新的電子傳遞模型，而非長(zhǎng)久以來占領(lǐng)學(xué)界的 q 循環(huán)（q-cycle）模型。此外，通過計(jì)算機(jī)模擬的方法，楊茂君研究組還將復(fù)合物 ii 的結(jié)構(gòu)嵌入進(jìn)呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的模型之中，由此可以推論在線粒體呼吸鏈中四個(gè)電子傳遞鏈蛋白將組合成一個(gè)更大的超超級(jí)復(fù)合物來更高效的發(fā)揮功能，從而將全部四個(gè)呼吸鏈復(fù)合物在結(jié)構(gòu)水平統(tǒng)一到了一起，巧妙的預(yù)測(cè)了呼吸鏈復(fù)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(tǒng)異常會(huì)導(dǎo)致如阿茲海默綜合癥、帕金森綜合癥、多發(fā)性硬化、少年脊髓型共濟(jì)失調(diào)以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等多種疾病。由于人源線粒體呼吸鏈蛋白復(fù)合物的純化條件極為苛刻、難度系數(shù)大，所以針對(duì)這些蛋白的藥物篩選一直都很難開展。楊茂君研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術(shù)為今后的藥物研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)的解析不僅闡明了這些蛋白的作用方式及反應(yīng)機(jī)理，也為人類攻克線粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常所導(dǎo)致的疾病提供了一個(gè)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(gè)亞基構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)令人印象深刻，為線粒體呼吸鏈復(fù)合物的組成形式提供了的視點(diǎn)）“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(jié)構(gòu)和功能構(gòu)成的重要一步）。楊茂君研究組今后將對(duì)線粒體呼吸鏈繼續(xù)進(jìn)行更加深入的研究，希望獲得處于不同反應(yīng)中間態(tài)的呼吸鏈復(fù)合物群的分辨率更高的三維結(jié)構(gòu)，并將致力于研發(fā)治療線粒體異常疾病的新型靶向藥物。“生死只在呼吸之間”，楊茂君曾多次在公開演講中提到：“呼吸是最基本的生命活動(dòng)，最為平常但卻十分神秘。針對(duì)呼吸作用的研究我們已經(jīng)走在世界前列，但是許多重要的細(xì)節(jié)仍在等待未來科學(xué)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(duì)生命現(xiàn)象的認(rèn)知作出更大的貢獻(xiàn)。”

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生郭潤(rùn)域（15 級(jí)）、宗帥（13 級(jí)）、吳萌（14 級(jí)），結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心學(xué)者谷金科（17 級(jí)博士后）是此篇論文的共同作者，此外，郭潤(rùn)域、吳萌和谷金科還是另外兩篇《自然》和《細(xì)胞》論文的共同作者，楊茂君為此系列論文的通訊作者。電鏡數(shù)據(jù)采集于清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)，計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。本工作獲得生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、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)劃專項(xiàng)、國(guó)家杰出青年基金、國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。

圖 1 人源呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)

左圖上，人源線粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物 i2iii2iv2 結(jié)構(gòu)模型；左圖下，線粒體膜間隙一側(cè)，復(fù)合物 iii 和 iv 中細(xì)胞色素 c 結(jié)合位點(diǎn)。右圖上，線粒體呼吸鏈復(fù)合物完整聚合形式預(yù)測(cè)模型 i2ii2iii2iv2；右圖下，線粒體膜間隙一側(cè)，細(xì)胞色素 c 參與電子傳遞時(shí)在復(fù)合物 iii 和 iv 之間的運(yùn)動(dòng)路徑。megacomplex，超超級(jí)復(fù)合物；m 線粒體基質(zhì)；im，線粒體內(nèi)膜；im，線粒體膜間隙；ci，復(fù)合物 i；cii，復(fù)合物 ii；ciii，復(fù)合物 iii；civ，復(fù)合物 iv；cyt.c，細(xì)胞色素 c。

圖 1 人源呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物整體結(jié)構(gòu)

左圖上，人源線粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物 I2III2IV2 結(jié)構(gòu)模型；左圖下，線粒體膜間隙一側(cè)，復(fù)合物 III 和 IV 中細(xì)胞色素 c 結(jié)合位點(diǎn)。右圖上，線粒體呼吸鏈復(fù)合物完整聚合形式預(yù)測(cè)模型 I2II2III2IV2；右圖下，線粒體膜間隙一側(cè)，細(xì)胞色素 c 參與電子傳遞時(shí)在復(fù)合物 III 和 IV 之間的運(yùn)動(dòng)路徑。Megacomplex，超超級(jí)復(fù)合物；M 線粒體基質(zhì)；IM，線粒體內(nèi)膜；IM，線粒體膜間隙；CI，復(fù)合物 I；CII，復(fù)合物 II；CIII，復(fù)合物 III；CIV，復(fù)合物 IV；Cyt.c，細(xì)胞色素 c。