南京中醫藥大學合作最新Nature

　　線粒體通過氧化磷酸化在ATP能量產生中起關鍵作用，氧化磷酸化通過一系列呼吸復合物在細胞膜內發生。盡管進行了廣泛的體外結構研究，但在生理狀態下確定其分子機制的原子細節仍然是一個主要挑戰，主要是因為純化過程中失去了天然環境。

　　2024年5月29日，耶魯大學張凱及南京中醫藥大學朱家鵬共同通訊在Nature在線發表題為“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes”的研究論文，該研究報告了哺乳動物呼吸超復合體的高分辨率原位結構。

　　該研究確定了四個主要的超復雜組織：I1III2IV1, I1III2IV2, I2III2IV2和I2III4IV2，它們有可能在細胞膜上擴展成高階陣列。這些不同的超復合物主要是由“蛋白質-脂質-蛋白質”相互作用形成的，這反過來又對周圍膜的局部幾何形狀產生了實質性的影響。原位結構還捕獲了這些呼吸超復合物中的許多活性中間體，揭示了復合物I中泛醌/泛醇交換機制和復合物III中Q周期的動態過程。在不同條件下處理的線粒體超配合物的結構比較表明，配合物I和III的構象狀態之間可能存在相關性，可能是對環境變化的響應。通過保留天然膜環境，該方法能夠在高分辨率下跨多個尺度(從原子水平的細節到更廣泛的亞細胞背景)對線粒體呼吸超復合物的反應進行結構研究。

　　在真核細胞中，線粒體是能量產生的核心。線粒體功能障礙與多種嚴重疾病有關，包括代謝、心血管、神經退行性疾病和神經肌肉疾病。真核生物的線粒體由一千多種蛋白質組成，這些蛋白質動態地組裝成各種形式的復合物。其中一個關鍵組是呼吸鏈超復合物(SCs);它們主要由不同化學計量的配合物I,III和IV (CI, CIII2和CIV)組成，它們是NADH：O2氧化還原的最小功能單位。

　　冷凍電鏡研究已經確定了幾種哺乳動物呼吸復合物和SCs的結構，這些復合物來源于體外純化的蛋白質，揭示了它們的亞基組成、構象動力學和配體結合位點。這些結構揭示了電子轉移途徑、質子泵送機制和調控元件。Cryo-EM還提供了線粒體內可能的組裝和這些呼吸SCs的假設功能作用的見解。然而，傳統的體外方法導致天然環境的喪失，這對闡明生理條件下的實際組裝和分子機制提出了重大挑戰。

　　該研究報道了豬呼吸SCs的原位結構，通過單顆粒分析結合冷凍電子斷層掃描(cryo-ET)對豬線粒體進行成像直接確定。該研究結構平均分辨率約為2.5 ?，在最佳區域的局部分辨率高達1.8 ?，可以深入研究線粒體呼吸SCs的原生狀態。通過這種分辨率，在這些SC中解析了許多活性中間體，并確定了SC組織的四種主要類型的結構。

哺乳動物線粒體呼吸SCs的原位單顆粒冷凍電鏡和冷凍電鏡分析（圖源自Nature ）

　　該結構顯示了內源性泛醌/泛醇(Q/QH2)及其相互作用殘基的不同密度模式的不同類別，為CI內Q10交換動力學提供了新的結構見解。研究人員還捕獲了與CIII2的Qo位點結合的Q10的多個狀態，以及Rieske結構域的位置移位。該研究清楚地顯示了復雜的氫鍵網絡，為質子轉移和Q循環機制提供了詳細的視角。總的來說，該原位方法可以通過確定線粒體內生理條件下的反應蛋白結構來研究各種線粒體疾病和藥理治療的影響。

　　冷凍電子顯微鏡數據均在耶魯大學的冷凍電子顯微鏡資源設施YCR（Science Hill和West Campus）以及紐約BNL國家實驗室采集。耶魯大學的吳申平、林建峰和周凱風，以及生物分子結構實驗室的Liguo Wang、Jake Kaminsky和Guobin Hu在電子顯微鏡技術方面給予重要幫助。張凱實驗室本科實習生黃振（24秋即將入學清華大學攻讀博士學位）、研究助理馬博遠（即將入學美國Scripps研究所攻讀博士學位）等在原位膜信號分析和生物膜模型構建方面提供了重要技術支持，訪問研究助理顧鳴在結構修正、手稿材料準備和繪圖方面給予重要協助。