楊茂君教授研究組發(fā)表文章揭示呼吸鏈復(fù)合物III的不完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)
2018年3月6日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君教授研究組在《蛋白&細(xì)胞》(Protein&Cell)雜志發(fā)表題為《UQFCRFS1N介導(dǎo)呼吸鏈復(fù)合物III組裝形成不完全對(duì)稱(chēng)的21亞基二聚體》(UQCRFS1N assembles mitochondrial respiratory complex III into an asymmetric 21-subunit dimer)的文章，通過(guò)對(duì)此前呼吸鏈復(fù)合物III晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)致分析，解釋了此前復(fù)合物III結(jié)構(gòu)中普遍存在的一項(xiàng)重大缺陷，并通過(guò)重新計(jì)算提出了復(fù)合物III新的亞基組成和不完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的研究認(rèn)為復(fù)合物III存在兩種形式且兩個(gè)亞基都具有生物學(xué)活性，為超超級(jí)復(fù)合物的形成提供了支持。
雖然高等生物線粒體呼吸鏈復(fù)合物III的結(jié)構(gòu)在20多年前就已經(jīng)分別得到了解析，相關(guān)科學(xué)研究先后解析了該復(fù)合物近50個(gè)結(jié)構(gòu)，但是楊茂君教授在其研究中發(fā)現(xiàn)，以往所解析這些結(jié)構(gòu)在組份構(gòu)成及結(jié)論上存在著一個(gè)普遍的漏洞。一個(gè)非常奇怪的現(xiàn)象是，在所有已經(jīng)解析的46個(gè)多物種來(lái)源的復(fù)合物III的晶體結(jié)構(gòu)中均沒(méi)有UQCRFS1N亞基全長(zhǎng)蛋白的結(jié)構(gòu)。常言道，“事出反常必有妖”，楊茂君教授認(rèn)為之前關(guān)于UQCRFS1N亞基的處理一定有不合理的地方。
通過(guò)對(duì)此前的牛源復(fù)合物III (PDB:2A06)和雞源復(fù)合物III (PDB:3TGU)的晶體結(jié)構(gòu)的重新計(jì)算（圖一），楊茂君教授發(fā)現(xiàn)此前認(rèn)為在兩個(gè)復(fù)合物III的單體中都存在完整的UQCRFS1N亞基的思維定勢(shì)是不正確的，事實(shí)上，在一個(gè)復(fù)合物III的兩個(gè)單體中只存在一個(gè)完整的UQCRFS1N亞基，其N(xiāo)端位于復(fù)合物III的一個(gè)單體中，C端位于復(fù)合物III的另一個(gè)單體中。也就是說(shuō)，一個(gè)完整的UQCRFS1N亞基將復(fù)合物III的兩個(gè)單體連接起來(lái)了，每個(gè)復(fù)合物III的單體結(jié)合UQCRFS1N亞基的位點(diǎn)都既可以結(jié)合UQCRFS1N的N端又可以結(jié)合UQCRFS1N的C端。但是UQCRFS1N的N端和C端具有不同的構(gòu)象，也就是說(shuō)復(fù)合物III事實(shí)上是一個(gè)不完全對(duì)稱(chēng)的二聚體，而之前的結(jié)構(gòu)分析正是由于忽略了這一點(diǎn)而將復(fù)合物III兩個(gè)單體中UQCRFS1N的結(jié)合位點(diǎn)按照完全對(duì)稱(chēng)的情況來(lái)處理導(dǎo)致計(jì)算出的UQCRFS1N電子云密度模糊不清，因而無(wú)法獲得全長(zhǎng)的UQCRFS1N的結(jié)構(gòu)。
在得出復(fù)合物III是一個(gè)不完全對(duì)稱(chēng)的二聚體的結(jié)論后，楊茂君教授研究組意識(shí)到復(fù)合物III在超級(jí)復(fù)合物I1III2IV2的結(jié)合中是具有方向性的。在對(duì)研究組得到的超級(jí)復(fù)合物的電鏡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合物III在超級(jí)復(fù)合物中結(jié)合的兩種方向都具有活性，也從側(cè)面論證了超級(jí)復(fù)合物中復(fù)合物III的兩個(gè)單體都是有生理活性的，因而也為超超級(jí)復(fù)合物I2III2IV2的形成提供了支持。
總結(jié)而言，通過(guò)對(duì)以往呼吸鏈復(fù)合物III晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的重新分析，楊茂君教授發(fā)現(xiàn)復(fù)合物III不是傳統(tǒng)意義上的由11種不同亞基，22個(gè)蛋白構(gòu)成的對(duì)稱(chēng)二聚體，而是由21個(gè)亞基構(gòu)成的不對(duì)稱(chēng)二聚體，其中UQCRFS1N亞基的N和C兩個(gè)末端分別插入兩個(gè)由10種亞基構(gòu)成的復(fù)合物中，進(jìn)而介導(dǎo)它們的二聚化。該發(fā)現(xiàn)不僅指出了20多年來(lái)相繼解析的46個(gè)高等生物復(fù)合物III結(jié)構(gòu)中的漏洞，完美的解釋了為什么這么多晶體結(jié)構(gòu)中從來(lái)都沒(méi)有人構(gòu)建出完整的UQCRFS1N亞基的結(jié)構(gòu)，而且讓我們重新認(rèn)識(shí)了該復(fù)合物的組裝及發(fā)揮功能的過(guò)程。因此，以往與復(fù)合物III的組裝過(guò)程相關(guān)的一些研究需要重新考慮結(jié)論是否合理。
本工作獲得清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖中心、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地、清華-北大生命聯(lián)合中心、清華大學(xué)自主科研基金、清華大學(xué)蛋白質(zhì)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家杰出青年基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的大力支持。
圖一 呼吸鏈復(fù)合物III修正后的晶體結(jié)構(gòu)(PDB:2A06)
A. 修正后復(fù)合物III的整體結(jié)構(gòu)，顯示UQCRSF1N的結(jié)合位點(diǎn)
B. UQCRFS1N結(jié)合在復(fù)合物III中的兩種方向，揭示了復(fù)合物III不完全對(duì)稱(chēng)的性質(zhì)
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