我們科學(xué)家解開分枝桿菌能量代謝之謎

在一項(xiàng)新的研究中，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所饒?jiān)菏?、研究員、研究員及其同事分離出恥垢分枝桿菌的呼吸超復(fù)合體，并用冷凍電鏡技術(shù)以3.5的分辨率直觀觀察了其三維結(jié)構(gòu)。這種細(xì)菌與結(jié)核分枝桿菌關(guān)系密切，是研究多種細(xì)菌物種的流行模型。這種詳細(xì)的結(jié)構(gòu)揭示了電子是如何在細(xì)胞中傳輸?shù)?，這一過(guò)程迄今尚未被觀察到。相關(guān)研究成果于2018年10月25日在線發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，標(biāo)題為“一種分枝桿菌呼吸超復(fù)合體的電子傳遞路徑連接單位”。

一般在細(xì)胞呼吸過(guò)程中，能量源(糖、脂肪酸和氨基酸)的氧化與電子受體(氧、硫、硝酸鹽和硫酸鹽)的還原相耦合，從中可以獲得化學(xué)能合成三磷酸腺苷(ATP)并驅(qū)動(dòng)細(xì)胞反應(yīng)。在需氧細(xì)胞呼吸中，當(dāng)電子供體通過(guò)電子傳輸鏈(ETC)轉(zhuǎn)移到末端電子受體時(shí)，這種化學(xué)能是由一個(gè)稱為質(zhì)子原動(dòng)力(PMF)的跨膜質(zhì)子梯度產(chǎn)生的，它可以驅(qū)動(dòng)ATP的合成。在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員揭示了酶之間的電子轉(zhuǎn)移有直接的相關(guān)性，這代表了呼吸鏈的一種新的催化模式。

醌和細(xì)胞色素是電子轉(zhuǎn)移鏈中的兩類電子載體，用于在包埋在膜中的較大分子結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移電子。四種膜氧化還原酶參與線粒體呼吸鏈的電子轉(zhuǎn)移。它們包括復(fù)合物(NADH :泛醌氧化還原酶，CI)、復(fù)合物(琥珀酸：泛醌氧化還原酶，CII)和復(fù)合物(bc1泛醇；細(xì)胞色素C氧化還原酶，bc1型CIII)和復(fù)合物IV(aa3型細(xì)胞色素C氧化酶，aa3型CIV)。在功能上，復(fù)合物CIII可以將泛醇氧化成泛醌，并將電子轉(zhuǎn)移到可溶性細(xì)胞色素C。然后電子被轉(zhuǎn)移到復(fù)合物CIV，在那里氧氣被還原成水?？缒MF是由復(fù)合物CI、CIII和CIV中的質(zhì)子泵產(chǎn)生的

在原核生物的呼吸鏈中，情況更加復(fù)雜。由于這種復(fù)雜性，完整的電子轉(zhuǎn)移途徑尚未在原核細(xì)胞中確定。因此，有必要了解參與細(xì)菌電子轉(zhuǎn)移的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體的完整結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)新的研究中，這些研究人員從恥垢分枝桿菌中提取并純化了這種呼吸鏈的超級(jí)復(fù)合物，并通過(guò)低溫電子顯微鏡以3.5的分辨率直觀地觀察了其結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)為揭示呼吸鏈超復(fù)合體中的直接電子轉(zhuǎn)移機(jī)制提供了重要的見解。這種呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體的大小在200 70 120的范圍內(nèi)，并且以對(duì)稱的線性結(jié)構(gòu)存在，與之前報(bào)道的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體完全不同。在組成上，線性的CIV1-CIII2-CIV1二聚體被排列成使得單一化合物CIV1位于中心化合物CIII2二聚體的兩側(cè)。這一信息揭示了電子轉(zhuǎn)移過(guò)程中酶之間存在直接的相關(guān)性，代表了一種新的呼吸鏈催化模式。這一詳細(xì)的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)有可能幫助發(fā)現(xiàn)抗分枝桿菌的藥物。

在細(xì)菌細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員使用類似結(jié)核分枝桿菌的過(guò)氧化氫來(lái)抵抗恥垢分枝桿菌突變株。培養(yǎng)這些細(xì)菌細(xì)胞，然后根據(jù)前面描述的方法分離它們的細(xì)胞膜(微生物學(xué)，2006，152:823-829，DOI 3360 10.1099/MIC.0.28723-0)。細(xì)菌細(xì)胞培養(yǎng)、收集和裂解后，收集其細(xì)胞膜沉淀物，然后提取細(xì)胞膜中的呼吸鏈超復(fù)合物。隨后，他們使用光譜學(xué)、質(zhì)譜和3，3’-二氨基聯(lián)苯胺(DAB)染色來(lái)描述這種呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的特征。為了鑒定血紅素基團(tuán)，根據(jù)以前的方法(生物化學(xué)雜志，2015，DOI :10.1074/JBC。M114.624312)，他們通過(guò)記錄連二硫酸鹽還原前后的光譜分析了一些選定的樣品。他們利用天然質(zhì)譜分析純化的呼吸鏈超復(fù)合物樣品來(lái)研究其結(jié)構(gòu)，并利用之前建立的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)分析這種呼吸鏈超復(fù)合物的單一結(jié)構(gòu)成分。

在低溫電子顯微鏡分析過(guò)程中，這些研究人員使用乙酸鈾酰(1%，w/v)對(duì)濃度為0.05 mg/ml的5l恥垢分枝桿菌呼吸鏈超復(fù)合體樣品進(jìn)行陰性染色，然后使用在120kV下運(yùn)行的FEI Tecnai Spirit顯微鏡拍照，用于初始結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建。他們通過(guò)處理來(lái)自呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體自染色樣本的53張顯微照片，重建了呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體的低分辨率結(jié)構(gòu)。為了完整地重建這個(gè)呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體的結(jié)構(gòu)，他們?cè)诘蜏仉婄R圖像處理過(guò)程中，從8200張?jiān)紙D片中手工選取了7600張圖片。本研究中的所有圖片都是用PyMOL或UCSF嵌合體構(gòu)建的。

這些研究人員揭示了恥垢分枝桿菌CIII-CIV呼吸鏈超級(jí)復(fù)合體的低溫電鏡結(jié)構(gòu)。這種呼吸鏈超配合物中電子轉(zhuǎn)移途徑的范圍是從配合物CIII中的喹啉氧化到配合物CIV中的氧還原，這些結(jié)果表明了一種新的分叉電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，它保證了醌循環(huán)(Q循環(huán)，即質(zhì)子通過(guò)脂雙層的凈運(yùn)動(dòng))和能量轉(zhuǎn)換的完成。氧化物歧化酶(SOD)直接參與這種呼吸鏈超復(fù)合物的組裝，可以保護(hù)其免受活性氧(ROS)的氧化損傷。醌結(jié)合位點(diǎn)的分布也為未來(lái)基于結(jié)構(gòu)開發(fā)抗微生物藥物提供了框架。

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