清華大學生命學院楊茂君教授研究組首次報導人源細胞色素c氧化酶的...

清華大學生命學院楊茂君教授研究組首次報導人源細胞色素c氧化酶的完整結構

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清華新聞網8月3日電 近日，清華大學生命科學學院楊茂君教授研究組在《細胞研究》（Cell Research）在線發表題為《14個亞基組成的人源細胞色素c氧化酶的完整結構》（Structure of the intact 14-subunit human cytochrome c oxidase）的研究論文，首次報導了人源細胞色素c氧化酶（呼吸鏈複合物IV）的完整結構，解析度達到3.3埃。完整的人源細胞色素c氧化酶由14個亞基組成一個單體，而不是教科書中所認為的兩個13個亞基組成的二聚體，這項工作糾正了二十多年來在細胞色素c氧化酶的結構生物學研究中的錯誤，拓展了對細胞色素c氧化酶的認識與理解。

呼吸作用是細胞內最基本的能量代謝活動之一，生物體攝入的有機物在細胞內通過一系列生化反應後生成水、二氧化碳和其他產物，並釋放出能量。線粒體呼吸鏈位於線粒體的內膜上，包含四個膜蛋白複合物以及電子傳遞配體輔酶Q和細胞色素c等。這四個蛋白質複合物分別是複合I（NADH脫氫酶），複合物II（琥珀酸脫氫酶），複合物III（細胞色素c還原酶）和複合物IV（細胞色素c氧化酶）。線粒體呼吸鏈將電子轉移到氧的同時，把質子泵到線粒體膜間隙內產生質子梯度並驅使ATP合成酶（複合物V）合成能量分子ATP。

圖1. 完整的人源細胞色素c氧化酶示意圖。CIV，細胞色素c氧化酶；NDUFA4，細胞色素c氧化酶的第十四個亞基；CDL，心磷脂。

自1995年原核細胞色素c氧化酶的結構被解析以來，從原核至真核，從簡單到複雜，複合物IV的結構不停湧現。與此同時，科學界一直認為細胞色素c氧化酶是一個同源二聚體，由兩個各包含13個亞基的單體組成。但是在本工作中，通過使用冷凍電鏡收集數據並處理後，楊茂君教授解析了人源細胞色素c氧化酶迄今為止解析度最高的結構。通過對過往實驗結果的歸納總結和對新獲取的數據進行分析，楊茂君教授在3.3埃的電子密度中搭建出了細胞色素c氧化酶的第14個亞基NDUFA4以及與它相互作用的心磷脂，首次確定了完整的細胞色素c氧化酶的各個亞基的位置，並提出了完整的細胞色素c氧化酶是由14個亞基組成的並以單體形式存在。

在楊茂君教授解析的呼吸鏈超級複合物結構中，細胞色素c氧化酶的組成狀態均為單體，生化實驗中抽提純化出的細胞色素c氧化酶也均為單體，但是過往的晶體結構中細胞色素c氧化酶都是同源二聚體。在本工作中，楊茂君教授發現了第14個亞基NDUFA4，它處於二聚的晶體結構中的二聚結合界面上，並有一個心磷脂分子與它相互作用。在過往的晶體結構研究中，純化的步驟使用了性質較強的去垢劑，導致穩定結合在細胞色素c氧化酶中的心磷脂分子被替換掉，而NDUFA4也從細胞色素c氧化酶解離出來。這樣形成的二聚的細胞色素c氧化酶與體內的狀況不一致，也導致學術界一直認為細胞色素c氧化酶是一個同源二聚體。NDUFA4結構的解析解決了這個矛盾，並解釋了晶體結構中細胞色素c氧化酶二聚的原因。在本工作中楊茂君教授還發現，與之前牛源細胞色素c氧化酶不同，Cox7A2、Cox6A1和Cox8A分別替代了亞基Cox7A1、Cox6A2和Cox8B，這三個亞基的結構首次被解析。

清華大學生命科學學院的博士後宗帥、博士生吳萌、結構生物學高精尖創新中心卓越學者谷金科和博士生劉天涯為本文共同第一作者，清華大學楊茂君教授為本文通訊作者。電鏡數據採集於清華大學冷凍電鏡平臺。本工作獲得清華大學結構生物學高精尖中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地、清華-北大生命聯合中心、清華大學自主科研基金、清華大學蛋白質科學教育部重點實驗室、科技部重大科學研究計劃專項、國家傑出青年基金和國家自然科學基金的大力支持。

供稿：生命學院 編輯：襄楠