南京中医药大学合作最新Nature

　　线粒体通过氧化磷酸化在ATP能量产生中起关键作用，氧化磷酸化通过一系列呼吸复合物在细胞膜内发生。尽管进行了广泛的体外结构研究，但在生理状态下确定其分子机制的原子细节仍然是一个主要挑战，主要是因为纯化过程中失去了天然环境。

　　2024年5月29日，耶鲁大学张凯及南京中医药大学朱家鹏共同通讯在Nature在线发表题为“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes”的研究论文，该研究报告了哺乳动物呼吸超复合体的高分辨率原位结构。

　　该研究确定了四个主要的超复杂组织：I1III2IV1, I1III2IV2, I2III2IV2和I2III4IV2，它们有可能在细胞膜上扩展成高阶阵列。这些不同的超复合物主要是由“蛋白质-脂质-蛋白质”相互作用形成的，这反过来又对周围膜的局部几何形状产生了实质性的影响。原位结构还捕获了这些呼吸超复合物中的许多活性中间体，揭示了复合物I中泛醌/泛醇交换机制和复合物III中Q周期的动态过程。在不同条件下处理的线粒体超配合物的结构比较表明，配合物I和III的构象状态之间可能存在相关性，可能是对环境变化的响应。通过保留天然膜环境，该方法能够在高分辨率下跨多个尺度(从原子水平的细节到更广泛的亚细胞背景)对线粒体呼吸超复合物的反应进行结构研究。

　　在真核细胞中，线粒体是能量产生的核心。线粒体功能障碍与多种严重疾病有关，包括代谢、心血管、神经退行性疾病和神经肌肉疾病。真核生物的线粒体由一千多种蛋白质组成，这些蛋白质动态地组装成各种形式的复合物。其中一个关键组是呼吸链超复合物(SCs);它们主要由不同化学计量的配合物I,III和IV (CI, CIII2和CIV)组成，它们是NADH：O2氧化还原的最小功能单位。

　　冷冻电镜研究已经确定了几种哺乳动物呼吸复合物和SCs的结构，这些复合物来源于体外纯化的蛋白质，揭示了它们的亚基组成、构象动力学和配体结合位点。这些结构揭示了电子转移途径、质子泵送机制和调控元件。Cryo-EM还提供了线粒体内可能的组装和这些呼吸SCs的假设功能作用的见解。然而，传统的体外方法导致天然环境的丧失，这对阐明生理条件下的实际组装和分子机制提出了重大挑战。

　　该研究报道了猪呼吸SCs的原位结构，通过单颗粒分析结合冷冻电子断层扫描(cryo-ET)对猪线粒体进行成像直接确定。该研究结构平均分辨率约为2.5 Å，在最佳区域的局部分辨率高达1.8 Å，可以深入研究线粒体呼吸SCs的原生状态。通过这种分辨率，在这些SC中解析了许多活性中间体，并确定了SC组织的四种主要类型的结构。

哺乳动物线粒体呼吸SCs的原位单颗粒冷冻电镜和冷冻电镜分析（图源自Nature ）

　　该结构显示了内源性泛醌/泛醇(Q/QH2)及其相互作用残基的不同密度模式的不同类别，为CI内Q10交换动力学提供了新的结构见解。研究人员还捕获了与CIII2的Qo位点结合的Q10的多个状态，以及Rieske结构域的位置移位。该研究清楚地显示了复杂的氢键网络，为质子转移和Q循环机制提供了详细的视角。总的来说，该原位方法可以通过确定线粒体内生理条件下的反应蛋白结构来研究各种线粒体疾病和药理治疗的影响。

　　冷冻电子显微镜数据均在耶鲁大学的冷冻电子显微镜资源设施YCR（Science Hill和West Campus）以及纽约BNL国家实验室采集。耶鲁大学的吴申平、林建峰和周凯风，以及生物分子结构实验室的Liguo Wang、Jake Kaminsky和Guobin Hu在电子显微镜技术方面给予重要帮助。张凯实验室本科实习生黄振（24秋即将入学清华大学攻读博士学位）、研究助理马博远（即将入学美国Scripps研究所攻读博士学位）等在原位膜信号分析和生物膜模型构建方面提供了重要技术支持，访问研究助理顾鸣在结构修正、手稿材料准备和绘图方面给予重要协助。