2篇Science | 浙江大学周龙等解密四膜虫呼吸链结构，揭示真核生物核心代谢的多样性

iNature

呼吸是一个核心的生物能量转换过程，其最后一步是由线粒体内膜中的多亚基复合物链完成的。 

2022年3月31日，浙江大学周龙等人在Science 在线发表题为“Structures of Tetrahymena’s respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism”的研究论文，为了探究真核生物呼吸的功能和结构多样性，该研究检查了纤毛虫嗜热四膜虫 (Tt) 的呼吸链。 

在混合样品上使用冷冻电子显微镜，该研究解决了 Tt 复合物 I (CI) 和 Tt-CIII₂ (Tt-SC I+III₂) 之间的超复合物的结构以及 Tt-CIV₂ 的结构。Tt-SC I+III₂ (~2.3 MDa) 是具有结构和功能对称性的弯曲组件。Tt-CIV₂ 是一个 ~2.7 MDa 二聚体，每个原聚体有超过 52 个亚基，包括线粒体载体和 TIM8₃-TIM13₃ 样结构域。该研究对四膜虫呼吸链的结构和功能研究揭示了真核生物呼吸关键成分的差异，扩大了对核心代谢的理解。

另外，2019年8月23日，奥地利科学技术研究院周龙等在Science 在线发表题为“Structure and conformational plasticity of the intact Thermus thermophilus V/A-type ATPase”的研究论文，该研究解决了完整的嗜热栖热菌 V/A-ATP 酶的冷冻电子显微镜结构，重组为脂质纳米盘，处于三种旋转状态和两种亚状态。 这些结构表明 V₁和 V₀ 在工作酶中具有相当大的灵活性，这是由于中心轴旋转和外围茎的阻力之间的机械竞争造成的。该研究还描述了与整个 V 型 ATPase 家族相关的二磷酸腺苷抑制释放、 V₁- V₀ 扭矩传递和质子易位的细节。

细胞呼吸是一种重要的代谢过程，可为所有自由生活的真核生物提供化学能 (ATP)。细胞呼吸的最终能量转换步骤由线粒体氧化磷酸化电子传递链 (mETC) 进行，该链将电子从还原的代谢物如 NADH 或琥珀酸转移到最终的电子受体 O2。mETC 位于线粒体内膜 (IMM)，由四种蛋白质复合物组成：NADH-泛醌 (Q) 氧化还原酶 (complex I, CI)、琥珀酸脱氢酶 (complex II, CII)、二聚泛醇 (QH₂)-细胞色素c (cyt c) 氧化还原酶 (complex III₂, CIII₂) 和细胞色素 c 氧化酶 (complex IV, CIV)。

通过将能量有利的电子转移反应与 H⁺ 泵IMM 耦合，mETC 复合物 CI、CIII₂ 和 CIV 建立了质子动力 (pmf)，ATP 合酶复合物（复合物 V、CV）使用该质子动力合成 ATP。在所有研究的真核生物中，mETC 复合物既可以单独发现，也可以作为确定化学计量的高阶超复合物 (SC) 的一部分，包括 SC I+III₂、SC I+III₂+IV 和 SC III₂+IV_（2）。CIV 和 CV 通常也以二聚体（CIV₂ 和 CV₂）的形式出现。

尽管单个 mETC 复合物的催化机制在物种间可能是保守的，但在模式生物之间观察到了一些结构差异。每个 mETC 复合物都可以分成核心亚基——对催化至关重要，并且与细菌同源物相比是保守的——和辅助亚基——对复合物的组装和活性很重要，但不是普遍保守的。CI 由 14 个核心亚基组成，排列成两个“L”形“臂”，在具有已知结构的模型真核生物中普遍保守，包括 Opisthokont（真菌和后生动物）和 Archaeplastida（红/绿藻和植物）进化枝。然而，CI 的每个结构都有一组可变的 31-37 个辅助亚基，其中一些在所有已知的真核 CI 中共享，其中一些仅在真核生命树的特定分支中发现。

对于 mETC 的其他 H⁺ 泵送复合物（CIII₂ 和 CIV），在 opisthokonts 和 archaeplastidans 的表征实例之间观察到的组成变异性要小得多。尽管真核 CI、CIII₂ 和 CIV 的生化和结构表征仅限于 Opisthokonta 和 Archaeplastida 进化枝的模型生物，但线粒体 CV 的结构特征已经从更广泛的真核生物中进行了表征。这些结构揭示了亚基组成和 CV 高阶组织的广泛多样性，与生物体 IMM 形态的差异相关。

Tt-CI 的结构和功能特征（图源自Science ）

模型纤毛虫嗜热四膜虫的早期功能表征得出的结论是，其 mETC 缺乏 CIV，而是含有一种独特的末端氧化酶。然而，线粒体基因组中 CIV 核心亚基 COX1 和 COX2（但不是 COX3）的嗜热嗜热菌同源物的鉴定以及嗜热菌具有酸性而非碱性 cyt c 的发现表明，尽管四膜虫确实具有 CIV 同源物，但该复合物在功能上已经分化。鉴于与先前研究的生物体的这些功能、序列、组成和形态差异，四膜虫是检查 mETC 复合物的多样性、进化和保守方面的理想系统。

该研究检查了纤毛虫嗜热四膜虫 (Tt) 的呼吸链。 在混合样品上使用冷冻电子显微镜，该研究解决了 Tt 复合物 I (CI) 和 Tt-CIII₂ (Tt-SC I+III₂) 之间的超复合物的结构以及 Tt-CIV₂ 的结构。Tt-SC I+III₂ (~2.3 MDa) 是具有结构和功能对称性的弯曲组件。Tt-CIV₂ 是一个 ~2.7 MDa 二聚体，每个原聚体有超过 52 个亚基，包括线粒体载体和 TIM8₃-TIM13₃ 样结构域。 该研究对四膜虫呼吸链的结构和功能研究揭示了真核生物呼吸关键成分的差异，扩大了对核心代谢的理解。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7747

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