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孫飛課題組與德國馬普研究所合作揭示呼吸鏈復合物III在極端環境下保持穩定性的結構基礎
2019-11-29 | 【     】【打印】【關閉

  2019年11月28日,中國科學院生物物理研究所孫飛課題組與德國馬普研究所Hartmut Michel課題組在國際著名期刊《Angewandte Chemie》雜志上以封面文章聯合發表了題為“A 3.3 Å-Resolution Structure of Hyperthermophilic Respiratory Complex III Reveals the Mechanism of its Thermal Stability”的研究成果。該項工作首次報道了來自超嗜熱菌的呼吸鏈復合物III天然狀態和結合抑制劑后的高分辨率冷凍電鏡結構,鑒定出一系列能顯著增強蛋白穩定性的新型結構特征,從而在原子水平上揭示了呼吸鏈復合物在極端環境下仍能穩定發揮生理功能的結構基礎。

  呼吸作用是生命體內最基礎的能量代謝活動之一,主要由四個大分子量的呼吸鏈蛋白復合物完成。呼吸鏈復合物的功能失活會導致帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、多發性硬化、少年脊髓型共濟失調以及肌萎縮性脊髓側索硬化癥等多種疾病,因此維持其結構完整和生物活性對于生命體是至關重要的。生活在極端環境中的生命體,如高輻射、高壓、高溫等,其呼吸鏈復合物能否維持生物活性是其能否生存的關鍵。然而,由于缺少來自超嗜熱物種呼吸鏈復合物的結構信息,它們在極端環境下如何維持其結構和功能的完整性仍然是未知的。

  Aquifex aeolicus 是細菌最古老的分支、最嗜熱的菌之一,最適生長溫度85-95°C。它廣泛分布在世界各地的高溫液體環境中,包括陸地和海洋,能適應多種極端環境。生長在高溫環境,要求生物體內的蛋白質、核酸、磷脂等適應極端條件,所以A. aeolicus是一種研究嗜熱蛋白結構和功能關系的理想生物。其呼吸鏈復合物III在前期的生化及光譜實驗已展現出獨特之處,非常穩定、耐熱。孫飛課題組與Hartmut Michel課題組經過多年合作,最終利用冷凍電鏡單顆粒技術成功解析了A. aeolicus呼吸鏈復合物III天然狀態和結合抑制劑的三維結構,分辨率均達到了3.3埃。該結構是首個超嗜熱菌的呼吸鏈復合物III的高分辨率三維結構。通過序列比對和三維結構分析,研究團隊鑒定出一系列能顯著增強蛋白穩定性的新型結構特征,發現了數個嗜熱菌特有的氨基酸以及一條額外的跨膜螺旋,它們能使配體結合更加穩定、亞基間相互作用增強。而且,這個呼吸鏈復合物還通過牢牢抓住一個醌分子和磷脂分子進一步增強了蛋白在膜脂上的穩定性。這些發現揭示了復合物III處于極端環境中仍能保持穩定活性的結構基礎,為之后研究和利用極端環境中蛋白質的穩定性提供了重要的理論依據和試驗數據。

  中科院生物物理所孫飛研究員、朱赟副研究員和德國馬普所Hartmut Michel教授、彭國宏博士為本文的共同通訊作者,孫飛課題組朱國梁、張雙博和Hartmut Michel課題組曾輝為本文共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研究開發項目等基金的資助。數據收集等工作得到了生物物理所生物成像中心(黃小俊、朱博玲等)的大力支持和幫助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.201911554 

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