Cell | 寒冷中的秘密：呼吸复合物如何适应低温挑战？
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棕色脂肪细胞（BAs）是高度专业化的细胞，当环境温度降低时会通过激活自适应产热来产生热量，帮助哺乳动物维持体温1。冷刺激会激活交感神经系统，在BAs里启动自适应产热，从而增加能量消耗，防止肥胖和糖尿病。相反，BA功能障碍会导致温度调节失常、肥胖和/或代谢性疾病。BAs中的热量产生主要通过两条线粒体路径实现，这两条路径都依赖电子传递链 (ETC) 的活性：（1）经典的解偶联蛋白1 (UCP1)，它通过膜间隙消耗呼吸复合体产生的质子梯度2；以及一种新发现的（2）无效肌酸/磷酸肌酸循环，它消耗ATP，释放过量的ADP，从而增加BA的呼吸3。在这两种情况下，ETC活动产生的质子动力势用于以热量的形式散失能量。
BAs中密集的线粒体网络和皱折为呼吸复合体提供了空间组织，并经历深度的蛋白质和脂质重塑，以应对低温，从而维持葡萄糖、脂肪酸和支链氨基酸的高氧化率。冷诱导的线粒体皱折形成和BAs的呼吸受到内质网驻留激酶PERK激活的调控。特异性缺失PERK的脂肪细胞小鼠对寒冷极为不耐受，其皱折密度和ETC活性显著降低，表明在低温下，结构性皱折和ETC重塑对维持线粒体呼吸至关重要4。然而，针对低温增加的线粒体呼吸适应的结构和动态基础仍然未知。
2024年10月11日，美国哈佛医学院Pere Puigserver实验室与南方科技大学廖茂富实验室合作，在Cell期刊上发表了题为Structural basis of respiratory complex adaptation to cold temperatures的论文。本研究结合棕色脂肪组织的热调节生理学和冷冻电镜技术，识别出一种未表征的呼吸复合体I:III2构象，其中CIII2的旋转（2型组装）与先前的经典结构（1型复合体）相比有所不同。Cryo-EM、多尺度模拟和生化分析共同揭示了棕色脂肪在结构和能量层面上增加的呼吸能力的热调节机制和动态。
研究者分别采集了野生型和PERK缺陷型小鼠的棕色脂肪组织，基于冷冻电镜技术解析了冷刺激（野生型）、热中性（野生型）和冷适应（PERK缺陷型）小鼠的呼吸复合体结构，分辨率在3.2 - 4.1 Å之间。
图 1 冷暴露小鼠iBAT中2型CI:CIII2复合物的鉴定
值得注意的是，研究者揭示了两种主要的呼吸超复合体构象，它们在CI和CIII2之间的角度上有所不同：一种为经典构象（1型），另一种为非经典构象（2型）。在冷刺激小鼠中，1型和2型构象的比例约为3:2，而2型的组装在热中性和冷适应KO小鼠中完全缺失，这表明2型构象仅在WT小鼠中因寒冷暴露而特异性诱导。此外，冷刺激小鼠的1型构象仍有两类区别，其中一个显示出CI和CIII2的外周区域具有更高的灵活性，这可能反映了在寒冷暴露下肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）的高活性。相比之下，热中性和冷适应KO小鼠仅存在一个外周区域更稳定的1型构象。结果表明，作为对温度或能量需求增加的响应，1型呼吸复合体转变为结构上不同的1型和2型构象。
图 2 冷暴露下CIII2在2型复合物中的旋转
此外，有趣的是，仅在冷刺激小鼠棕色脂肪中鉴定出的2型复合物显示出其在横向二聚体轴上相对于CI膜域的明显25°CIII2旋转。为了探究1型和2型超复合物在线粒体膜环境中的动态行为，研究者还通过分子动力学模拟进一步证实了CIII2的旋转。
视频 1 1型和2型 CI:III2复合物的比较
2型复合物中CIII2的结构重排使得CI和CIII2的跨膜域对齐，UQCRBCIII2和NDUFA9CI亚基之间的距离缩短。结合有研究报道CoQ分子在UQCRBCIII2和NDUFA9CI的交界处结合，因此UQCRBCIII2和NDUFA9CI之间距离的缩短可能通过CoQ引导促进电子转移。这个过程也可能由于CIII2活性位点更大的暴露与其减小的构象波动而增强。
图 3 2型 CI:CIII2 复合物的结构重排
为了进一步探究脂质在2型呼吸复合体的活性增强中的作用，研究者对线粒体膜上的脂质进行了组学分析，并鉴定出350种独特的脂质种类。与热中性和冷适应KO小鼠的线粒体膜相比，WT冷刺激小鼠的棕色脂肪线粒体膜显示出不饱和磷脂酰乙醇胺 (PE) 和磷脂酰胆碱 (PC) 种类的显著富集。结合蛋白组学和脂质组学，表明内质网 (ER) 向线粒体的磷脂供给（特别是PC）依赖于寒冷和PERK，从而提出了一种可能调节2型复合物形成的潜在机制。此外，研究者还通过分子动力学模拟进一步证实了PC和PE脂质种类增加膜流动性可能为2型复合物在寒冷、低温环境中的组装和适应提供了基础。
图 4 2型CI:III2 复合物中的蛋白质-脂质动态
另外，研究者还发现，与热中性对照组相比，冷刺激小鼠的棕色脂肪中的葡萄糖转运效率提高了九倍。完全的葡萄糖氧化需要CI氧化还原酶活性，以及来自NADH的电子将辅酶Q还原为辅酶Q醇。CI的PA开放和闭合构象对应于更大和更小的PA-MD角度，以及关键环的无序和有序，并分别定义为失活态和活化态。结合结构信息以及动力学实验，研究者表明，2型呼吸复合体的活性增强，因为CI MD-PA臂的较稳定开放可能抑制CI闭合；另一方面，CI PA 的窄摆动结合较大的构象覆盖范围可能会在低温条件下提供热调节优势。此外，研究者还对CI PA的开放和闭合状态进行比较，发现CoQ9在CoQ通道中的占据程度不一，结合电子转移动力学，冷刺激将更有助于提高复合物I的催化活性。
为了探究不同复合物类型的电子分布，研究者还创建了QM/MM模型，结果表明，2型组装中的CoQ排列可能实现更高的催化速率，与冷刺激的动力学一致。尽管CI的开放和闭合状态分别对应非活性和活性，研究表明这种转变是CI催化循环的一部分。更高的动力学活性与更均衡的开放和闭合构象比例相关，显示出CI的开放/闭合转变可调节电子转移效率，并可能因CI臂的较窄开口角度而增强，促进营养氧化以增加热产生。
图 5 2型组装中CI和CIII2结构的动力学
在低温环境下，棕色脂肪组织启动适应性产热反应，依赖增强的呼吸功能来维持高的营养氧化速率。总的来说，该研究发现，WT小鼠在冷刺激下的呼吸复合物活性增加，同时诱导了2型或非典型CI:III2复合物的形成。2型复合物可能通过重塑脂质和蛋白质组成，在寒冷条件下形成并稳定其构象，以适应线粒体嵴的架构，进而增加ETC活性。同时，CI和CIII2之间的相互抑制以及2型复合物的结构特征促进了更为放松的CI:CIII2组装，从而提升活性。研究还指出，旋转的CIII2和2型组装的形成与质子传送、电子转移及热量产生有关，强调了这种机制在寒冷适应和呼吸功能中的重要性。整体而言，结合结构和模拟的数据表明，2型呼吸复合体组装在支持热产生和维持体温方面具有高活性，揭示了在能量需求较大的冷环境中的动态适应机制。
图 6 寒冷诱导的2型复合物中增强的CI:III2催化活性的结构机制
原文链接
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01087-0
参考文献
[1] Cannon, B. ∙ Nedergaard, J. Brown adipose tissue: function and physiological significance. Physiol. Rev. 2004; 84:277-359
[2] Enerbäck, S. ∙ Jacobsson, A. ∙ Simpson, E.M. et al. Mice lacking mitochondrial uncoupling protein are cold-sensitive but not obese. Nature. 1997; 387:90-94
[3] Kazak, L. ∙ Chouchani, E.T. ∙ Jedrychowski, M.P. et al. A Creatine-Driven Substrate Cycle Enhances Energy Expenditure and Thermogenesis in Beige Fat.
Cell. 2015; 163:643-655
[4] Latorre-Muro, P. ∙ O’Malley, K.E. ∙ Bennett, C.F. et al. A cold-stress-inducible PERK/OGT axis controls TOM70-assisted mitochondrial protein import and cristae formation. Cell Metab. 2021; 33:598-614.e7
供稿 | 肖媛
审稿 | 谭佳鑫
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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