在一項新的研究中，中國科學院生物物理研究所的饒子和（Zihe Rao）院士、Quan Wang研究員、孫飛（Fei Sun）研究員及其同事們分離出恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）的呼吸鏈超級複合物（respiratory supercomplex），並且利用低溫電鏡（cryo-EM）技術在3.5 Å的解析度下可視化觀察它的三維結構。這種細菌與結核分枝桿菌存在著密切的親緣關係，而且是一種用於研究許多細菌物種的流行模型。這種詳細的結構揭示出電子如何在一種迄今為止觀察不到的過程中在細胞內傳遞。相關研究結果於2018年10月25日在線發表在Science期刊上，論文標題為「An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex」。
通常，在細胞呼吸期間，能量來源（糖、脂肪酸和胺基酸）的氧化與電子受體（氧氣、硫、硝酸鹽和硫酸鹽）的還原偶聯在一起，從中可獲得化學能來合成三磷酸腺苷（ATP）和驅動細胞反應。在有氧細胞呼吸中，這種化學能的產生方式是當電子供體通過電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）傳遞到末端電子受體時產生一種稱為質子動力勢（proton motive force, PMF）的跨膜質子梯度，這種質子動力勢可驅動ATP合成。在這項新的研究中，這些研究人員揭示了酶之間的電子傳遞存在直接關聯性，這代表著一種新的呼吸鏈催化模式。
醌和細胞色素是電子傳遞鏈中的兩種類型的電子載體，用於在嵌於膜中的較大的大分子結構之間傳遞電子。四種膜氧化還原酶參與線粒體呼吸鏈的電子傳遞。它們包括複合物I（NADH:泛醌氧化還原酶, CI），複合物II（琥珀酸:泛醌氧化還原酶, CII），複合物III（bc1型泛醇;細胞色素c氧化還原酶，bc1型CIII）和複合物IV（aa3型細胞色素c氧化酶，aa3型CIV）。從功能上說，複合物CIII能夠將泛醇氧化成泛醌並將電子傳遞給可溶性的細胞色素c。電子隨後被傳遞到複合物CIV，在那裡氧氣被還原成水。跨膜PMF通過複合物CI、CIII和CIV中的質子泵浦產生。
在原核生物的呼吸鏈中，情況更為複雜。由於這種複雜性，尚未在原核生物的細胞中確定完整的電子傳遞途徑。因此，有必要了解參與細菌電子傳遞的一種呼吸鏈超級複合物的完整結構。在這項新的研究中，這些研究人員從恥垢分枝桿菌中提取出並純化了這種呼吸鏈超級複合物，並利用低溫電鏡技術在3.5 Å的解析度下可視化觀察它的結構。這種結構為揭示這種呼吸鏈超級複合物中的電子直接傳遞機制提供了重要的見解。這種呼吸鏈超級複合物的尺寸在200×70×120 Å的範圍內，以一種對稱的線性結構存在著，這完全不同於之前報導的呼吸鏈超級複合物。從組成上來說，線性的CIV1-CIII2-CIV1二聚體如此排列著以至於單個複合物CIV1位於中央的複合物CIII2二聚體的兩側。這種信息揭示了在電子傳遞過程中酶之間存在著直接的關聯性，這代表著一種新的呼吸鏈催化模式。這種詳細的結構發現有潛力協助開展抵抗分枝桿菌的藥物發現工作。
在細菌細胞培養實驗期間，這些研究人員使用類似於結核分枝桿菌的過氧化氫抵抗性恥垢分枝桿菌突變株。培養這些細菌細胞，隨後按照之前描述的方法（Microbiology, 2006, 152:823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0）分離它們的細胞膜。在細菌細胞培養、收集和裂解後，收集它們的細胞膜沉澱，接著提取出細胞膜中的呼吸鏈超級複合物。他們隨後利用光譜學方法、質譜法和3,3'-二氨基聯苯胺（DAB）染色法描述了這種呼吸鏈超級複合物的特徵。為了鑑定出血紅素基團，按照之前的方法（Journal of Biological Chemistry, 2015, doi:10.1074/jbc.M114.624312），他們在連二硫酸鹽還原之前和之後通過記錄光譜來分析所選的部分樣品。他們使用天然質譜法分析純化的呼吸鏈超級複合物樣品以便研究它的結構，並且使用之前建立的實驗方法分析這種呼吸鏈超級複合物中的單個結構組分。
在低溫電鏡分析期間，這些研究人員使用乙酸雙氧鈾（1％, w/v）對5μl的濃度為0.05 mg/ml的恥垢分枝桿菌呼吸鏈超級複合物樣品進行負染色，隨後利用在120kV下運行的FEI Tecnai Spirit顯微鏡上拍攝圖片用於初始的結構模型構建。他們通過處理來自負染色的呼吸鏈超級複合物樣品的53張顯微圖片，重建出這種呼吸鏈超級複合物的低解析度結構。為了完全重建這種呼吸鏈超級複合物的結構，他們在低溫電鏡圖片處理期間從8200張原始圖片中手工選擇出7600張。這項研究中的所有圖片都是利用PyMOL或UCSF chimera構建出來的。
這些研究人員揭示出恥垢分枝桿菌CIII-CIV呼吸鏈超級複合物的低溫電鏡結構。這種呼吸鏈超級複合物內部的電子傳遞途徑的範圍從複合物CIII中的醌醇（quinol）氧化到複合物CIV中的氧氣還原。這些研究結果顯示了一種新的分叉電子傳遞機制，從而確保完成醌循環（Q cycle, 即質子穿過脂質雙層的淨運動）而實現能量轉換。氧化物歧化酶（SOD）直接參與這種呼吸鏈超級複合物的組裝，能夠讓它免受活性氧（ROS）的氧化損傷。醌結合位點的分布也為在未來開發基於結構的抗微生物藥物提供了一種框架。
參考資料：Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex. Science, Published Online: 25 Oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.