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科研動態

周龍課題組《Science》合作揭示四膜蟲氧化磷酸化復合體結構與功能的高度特異性

來源 :基礎醫學系    發布時間 :2022-04-04    瀏覽次數 :514

2022年3月31日,浙江大學基礎醫學院周龍團隊與美國加州大學戴維斯分校James Letts團隊合作在Science期刊以Research Article的形式在線發表了題為Structures of Tetrahymena ’s respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism的研究論文,解析了纖毛綱重要模式生物嗜熱四膜蟲Tetrahymena thermophila, Tt)線粒體的氧化磷酸化電子傳遞鏈(electron transport chain, ETC)超復合體I-III2(SC I+III2及復合體IV二聚體(CIV2分別2.6Å與3.0Å的冷凍電鏡結構


嗜熱四膜蟲SC I+III2分子量達到2.3 MDa,由91個亞基組成;相比較下哺乳類SC I+III2分子量僅1.4 MDa,67個亞基四膜蟲復合體I核心亞基分裂成17個,打破了哺乳類14核心亞基的布局;其51個附屬亞基中有20個為本研究首次發現。

值得注意的是,與哺乳類不同,四膜蟲復合體I并不存在“激活-失活”兩種狀態,結構上也沒有膜內外兩臂夾角改變導致的“開放-閉合”兩種構象。對于這種持續激活的復合體I,其CoQ通道附近對底物回轉有重要意義的幾個環區(ND3 TMH 1-2等)均與 “閉合”態的哺乳類復合體I一致。

這提示“開放-閉合” 的構象轉變或許并非真核復合體I普遍保守催化機制的一部分,也為長期激烈爭論的復合體I工作機理的研究提供了新思路。

四膜蟲SC I+III2的復合體I與復合體III2融合為一個“強制超復合體”,膜內部分整體適應四膜蟲存在平滑弧度的嵴形態。值得注意的是,二者間的緊密結合導致復合體III2兩個單體間發生對稱性破壞,程度在現有各物種SC I+III2結構中最為顯著。這導致在復合體III2的“醌循環”機制中,僅靠近復合體I醌通道的單體具備CoQ氧化還原能力;提示高度保守的超復合體SC I+III2形成的生理意義,在于通過分化復合體III2兩個“醌口袋”的氧化與還原功能來調控復合體I與III2間反應速率的耦合。

四膜蟲ETC復合體的高度特異性集中體現在其復合體IV強制二聚體CIV2上,其分子量達到2.7 MDa,每單體由52個亞基組成,其中44個亞基為本研究首次發現。這遠超10-14亞基,約200 kDa的酵母、植物與哺乳類復合體IV單體,同時也超過四膜蟲自身的SC I+III2成為其最大ETC復合體,打破了復合體I是ETC中最大膜蛋白的傳統認知。

四膜蟲CIV2的細胞色素c結合位點特化為一個“深坑”且相較于哺乳類發生表面電勢的正負反轉,揭示了長期困擾本領域的纖毛綱與哺乳類物種間無法完成電子傳遞的原因。在其大量附屬亞基中,存在三個SLC25A家族線粒體轉運蛋白,經序列與結構比對可基本確定其中至少一個為a-酮戊二酸轉運蛋白SLC25A11。

同時,其細胞色素c“深坑”附近結合了一個來自線粒體內外膜轉運系統(Translocase of the inner/outer membrane, TIM/TOM)的,類似六聚TIM8/9/10/12分子伴侶的a-螺旋槳結構。這些在線粒體中意義重大的蛋白首次被發現與氧化磷酸化復合體相結合,提示四膜蟲CIV2已將電子傳遞功能與膜電勢耦合轉運或氧化還原穩態調控等整合在一起。

這項研究的特色在于,從一個經典模式生物入手,在結構、功能、調控等多個層面密集地打破了ETC復合體的現有范式,為領域研究注入了新的活力

同時,本研究使用了從一套單顆粒數據中同時解析幾個復合體結構,以及完全依靠電子密度與蛋白質組從頭建模等前沿冷凍電鏡技術。一位匿名評審專家在審稿意見中說:對我而言,閱讀這份稿件確實是一次瞠目結舌的體驗(Reading the manuscript for me was truly a jaw-dropping experience)

James Letts博士是本文的通訊作者,浙江大學基礎醫學院周龍博士與UCD María Maldonado博士是本文共同第一作者,參與合作的還有Abhilash Padavannil博士與UCD電鏡平臺主任郭飛博士。



實驗室簡介

周龍博士,現任浙江大學基礎醫學院生物物理系百人計劃研究員,課題組致力于氧化磷酸化復合體結構多樣性,精細工作機制及其他線粒體相關重要分子機器研究工作,主要研究成果發表于Science,Blood,NSMB,elife等期刊。

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