hLife Article | 哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物I₂III₂IV₂调控机制的结构基础

论文亮点

线粒体呼吸链超级复合物I₂III₂IV₂（MCI₂III₂IV₂）中，复合物I、III和IV之间是通过特殊的蛋白亚基相互协调来发挥功能的，且MCI₂III₂IV₂可处于有催化活性和无催化活性两种构象，这两种构象之间可以通过中间构象互相转换。

文章信息

2024年3月15号，清华大学生命科学学院杨茂君课题组发表文章“哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物I₂III₂IV₂调控机制的结构基础（Structural basis for the regulatory mechanism of mammalian mitochondrial respiratory chain megacomplex-I₂III₂IV₂）”，报道了MCI₂III₂IV₂处于有活性状态、无活性状态和多种中间状态时的高分辨率冷冻电镜三维结构，详细讨论了MCI₂III₂IV₂中复合物I、III和IV之间通过特殊亚基相互影响的分子机制，为线粒体保护药物的研发提供了重要的结构基础。

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文章内容

哺乳动物线粒体电子传递链复合体是线粒体中最重要和最复杂的蛋白质机制。虽然对该系统的研究已超过一个世纪，但其组成和分子机制仍不清楚。最近，清华大学杨茂君教授团队报告了猪源呼吸链超级复合体- I₂III₂IV₂ (MCI₂III₂IV₂)在5种不同构象(State 1，State 2,Mid 1, Mid 2和Mid 3)中的高分辨率冷冻电子显微镜(cryo-EM)结构。(图1）高分辨率冷冻成像和超分辨率光学显微镜技术(gSTED)的结果，强烈支持MCI₂III₂IV₂在活细胞中真实存在。每个MCI₂III₂IV₂结构共包含141个亚单位(70种不同的多肽，2.9种丙二醛)，有240个跨膜螺旋。MCI₂III₂IV₂结构中CI, CIII和CIV之间的相互影响表明MCI₂III₂IV₂可以作为一个独立的单位影响电子传递和质子转运。

       图1 呼吸链超级复合物I₂III₂IV₂的构象变化

该团队根据CI的构象、CIII的Rieske结构域和CIV的位置，确定了猪源MCI₂III₂IV₂的5种构象，State 1、State 2、Mid 1、Mid 2和Mid 3的高分辨率结构。根据CIV的位置，该团队将MCI₂III₂IV₂分为两个大类：扩张构象和收缩构象。在MCI₂III₂IV₂的收缩构象中发现的两个CIs均处于失活状态。相比之下，MCI₂III₂IV₂扩张构象中的两个CIs可以处于有活性或非活性两种状态，这表明MCI₂III₂IV₂通过中间产物(Mid 1, Mid 2和Mid 3)从活性状态(State 1)转移到非活性状态(State 2)。在State 1中的2Fe-2S cluster的动态范围与在“b”状态中报告的基本一致；Mid 1的动态范围与“int”状态的动态范围基本重合；State 2中2Fe-2S cluster的动态范围在“int”和“c1”状态之间。因此，当MCI₂III₂IV₂从State 1转换到State 2时，CIII的Rieske结构域从“b”状态转变为“c1”状态。

在State 1和Mid 1中，CIV的细胞色素c结合位点和CIII的两个细胞色素c结合位点之间的距离分别约为95 Å和115 Å，而在State 2中，这些距离分别约为73 Å和78 Å。这一发现提示细胞色素c可能更容易在State 2中明显较短的距离上扩散。此外，细胞色素c的电子云密度从State 1到Mid 1，再到State 2逐渐模糊，表明细胞色素c在State 1中与CIII的结合更紧密，而在State 2中与CIII的结合更松散。此外，复合物I中NDUFB7亚基的123位甘氨酸和NDUFB10亚基的176位甘氨酸可能作为两个定位点引起复合物III中Rieske结构域和细胞色素c结合位点的构象变化。

上述MCI₂III₂IV₂的构象变化展示了这个巨大复杂的蛋白质机器的各个部分是相互协调共同发挥功能的，它们之间通过特定的亚基相互影响，以保证MCI₂III₂IV₂作为一个整体更加高效地根据细胞不同的能量需求状态而发挥不同的催化活性。

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作者简介

张来幸 博士后

第一作者

机构：清华大学生命学院

研究方向：蛋白质结构计算

郭润域 博士后

第一作者

机构：清华大学生命学院

研究方向：结构分析

肖纯 博士生

第一作者

机构：清华大学生命学院 

研究方向：生物化学

李佳琦 博士生

第一作者

机构：清华大学生命学院 

研究方向： 免疫荧光

谷金科 教授

通讯作者

机构：深圳大学 

研究方向：结构生物学

杨茂君  教授

通讯作者

机构：清华大学生命学院

研究方向：线粒体呼吸链复合物的结构与功能

引用格式: Zhang L,  Guo R, Xiao C, et al. Structural basis for the regulatory mechanism of mammalian mitochondrial respiratory chain megacomplex- I₂III₂IV₂. hLife. 

https://doi.org/10.1016/j.hlife.2024.03.003

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hLife是中国科学院微生物研究所主办，中国生物工程学会，上海市免疫治疗创新研究院，西湖大学医学院和广州霍夫曼免疫研究所联合支持，与国际出版商爱思唯尔合作的的健康科学领域综合性英文期刊。

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2022年成功入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”。

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