生命中心PI杨茂君获第四届树兰医学青年奖
教育和科研经历
杨茂君（1975.12.8 — ），清华大学生命科学学院终身教授，博士生导师。先后在吉林大学和中国协和医科大学获得学士和博士学位，后进入美国西南医学研究中心从事博士后研究工作，2008年回国加入清华大学任教。2016年获“国家杰出青年基金”资助，2017年担任科技部重点研发计划“超大蛋白质机器的结构生物学研究”首席科学家。发表SCI论文50余篇,先后获得霍英东基础研究奖、谈家桢生命科学创新奖、茅以升北京青年科技奖、药明康德生命化学研究奖及教育部新世纪优秀人才支持计划等支持和奖励。
主要科研成就
加入清华大学以来，杨茂君教授紧紧围绕细胞能量代谢系统这一领域开展研究，特别是在线粒体呼吸链及呼吸链超级复合物的结构、功能及药物前体分子开发等方面取得了一系列重大原创性成果。首次报道了酵母II-型呼吸链复合物I的结构（Feng et al.，Nature，2012）；解析了目前为止世界上所解析的最复杂的猪源及人源膜蛋白-线粒体呼吸链超级及超超级复合物的结构等，为进一步理解哺乳动物及人类呼吸链超级复合物的组织形式、分子机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病提供了重要的结构基础（Gu et al. Nature，2016；Wu et al. Cell，2016；Guo et al. Cell，2017）。杨茂君教授先后发表SCI论文54篇，其中在国际顶级期刊《自然》（2012;2015;2016）、《细胞》（2016;2017）等杂志发表通讯作者论文26篇。
心路历程
我从 2008年全职受聘于清华大学生命科学学院建立实验室以来，我们团队专攻线粒体呼吸链蛋白质的结构、功能与相关药物开发研究，取得了一些成果，以下展开介绍。
呼吸，是每个个体乃至每个细胞在其生命活动过程中必不可少的基本过程，所以针对呼吸作用研究具有深远的理论研究意义和实际应用价值，是人类近百年来一直在孜孜以求而探索的研究领域。细胞呼吸是在细胞内最重要的、为细胞提供能量的细胞器线粒体中进行的生命体最基本的生命活动之一。一百多年来，对线粒体呼吸链的结构与功能研究一直都是国际生命科学领域的热点之一。呼吸链主要位于真核生物的线粒体内膜上以及原核生物的细胞膜上，是生物的主要能量来源。在哺乳动物线粒体内膜上，主要有五种蛋白质复合物参与这一过程，即NADH脱氢酶（复合物Ⅰ）、琥珀酸脱氢酶（复合物Ⅱ）、细胞色素C还原酶（复合物Ⅲ）、细胞色素C氧化酶（复合物Ⅳ）和ATP合成酶（复合物Ⅴ）。这些复合物通过一系列的递氢反应和递电子反应，将代谢过程中产生的电子从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）或黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH2）向氧分子传递生成水。伴随着电子的传递，质子被跨膜转运并在膜两侧形成浓度差，即质子动势，其所蕴含的自由能驱动ATP合成酶将ADP和磷酸反应生成ATP，为生物体提供能量。彼得·米切尔（Peter D.Mitchell）曾于1978年因提出线粒体呼吸链的化学渗透假说而获得了诺贝尔化学奖；1997年英国著名结构生物学家约翰·沃克（John E.Walker）因对线粒体复合物V（ATP合成酶）的结构生物学研究而获得诺贝尔化学奖。然而，处于呼吸链上游的负责电子传递及形成质子浓度梯度的由复合物I，II，III，IV构成的超级复合物，其结构和组成比复合物V更复杂，相应地解析它们的结构也更加困难，一直以来都是结构生物学研究领域热点和难点。
复合物I是线粒体电子传递链上的第一个蛋白，又称NADH脱氢酶或NADH-CoQ还原酶复合物，是呼吸链上最大且最复杂的一个复合物，众多研究者对其结构、生理功能、电子传递机制等都进行了深入的研究和探讨。在哺乳动物中，它包含45个亚基，基本结构为L型，由NADH脱氢酶（以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白组成。在多种生物中，如结核分枝杆菌、疟原虫、刚地弓形虫等，复合物Ⅰ被一类称为二型NADH氧化还原酶（NDH-2）的蛋白所取代，这类蛋白以FAD为辅基催化电子从NADH传递到泛醌（UQ）。由于在呼吸链中的重要地位，NDH-2蛋白在预防与治疗肺结核、疟疾等重大传染病方面具有巨大的潜力。
2012年，我的团队在Nature发表论文，解析了酵母来源的NDH-2（Ndi1）蛋白以及Ndi1-NADH、Ndi1-UQ和Ndi1-NADH-UQ三种复合物的晶体结构。在所有四种晶体结构中，Ndi1均以同源二聚体的形式存在，这与先前认为其以单体形式发挥功能的猜测不同。生物信息学和结构分析发现，NDH-2具有一个高度保守的C端结构域（CTD），该结构域介导了Ndi1的二聚体化，进而形成一个广泛的疏水区域，使Ndi1能够附着在线粒体内膜上。随后的生物化学和细胞生物学实验都证实了以上观点。同时，三种Ndi1-底物复合物结构的解析，首次证明了在Ndi1中存在两个泛醌结合位点，结合电子顺磁共振实验的结果，我们认为Ndi1通过辅基FAD与第一个泛醌形成的FAD-UQⅠ复合体，介导电子从NADH传递给第二个泛醌UQⅡ的电子传递机制。后续的研究中解析了该蛋白疟原虫来源的蛋白结构，开发了一系列针对耐药性疟疾的药物前体分子，为人类对抗目前依然会导致近四十万死亡的疟疾提供了坚实的后备基础，相关论文于2017年发表在JMC上。
除了解析低等生物的线粒体呼吸链复合物I的结构，高等生物的线粒体呼吸链也是我们实验室这么多年以来的重点关注对象。得益于冷冻电镜技术的飞速发展，近几年我们在哺乳动物线粒体呼吸链的研究方面取得了一些成果，相关工作发表在Cell和Nature等杂志上。
以往的研究认为呼吸作用是由呼吸链上的4种互相独立的呼吸复合物（复合物I、II、III、IV）分步完成的，这些膜蛋白复合物在线粒体内膜系统中自由扩散，它们之间通过递电子体来传递电子进而完成一个完整的呼吸作用过程。虽然早在2000年就已经推测到了呼吸链超级复合物的存在，认为单独的呼吸复合物可能相互聚合形成效率更高的呼吸链超级复合物，但是呼吸链超级复合物在体内是否真实存在一直无法确定，而电子在呼吸链内的传递通路以及蛋白复合物的构象变化更是无从知晓。
我的团队通过不断优化呼吸体蛋白纯化及制样技术，改进电镜数据处理方法，最终成功将从猪源的呼吸链超级复合物结构的分辨率提升至原子分辨率级别，搭建了结构模型。2016年9月，课题组在《自然》杂志发表长文，通过改进纯化策略，首次得到并阐述了猪源线粒体呼吸链超级复合物I1III2IV1的中高分辨结构；2016年12月在《细胞》杂志上发文阐述了这一复合物整体3.6-4.0埃的高分辨率结构，通过结构分析及以往的生化数据分析，提出了一个更加合理的、与占据学界长达40年之久的经典的Q循环理论所不同的电子传递机制。
在以往近70年的研究中，高等生物线粒体呼吸链蛋白分离、纯化均来自于新鲜的活体动物心脏组织，由于人源心脏来源可能产生的伦理问题，人源线粒体呼吸链蛋白复合物的结构一直没有得到解析。在经过大量的、长期的实验条件摸索之后，我们充分利用现有的技术优势，我们最终突破性地从体外培养的人源细胞内提取得到了大量人源细胞的呼吸链蛋白复合物样品，又通过不断优化冷冻电镜样品的处理方法，运用性能优良的冷冻电镜获取了大量的电镜数据，最终通过单颗粒三维重构的方法，突破性地解析了人源线粒体超级复合物的原子分辨率结构。2017年9月又在《细胞》杂志上发文，通过创造性的猜想进而突破性地证明了人源线粒体中呼吸链超超级复合物I2III2IV2的存在，并解析了它的中高分辨率结构。值得一提的是，该结构是目前为止世界上所解析的最大也是最复杂的膜蛋白超大蛋白质机器结构。依据以往的生化数据，预测了该复合物中复合物II结合的位置，从结构上看，这应该是线粒体呼吸链复合物最高级的功能单元。终于，人类第一次将电子传递链四个复合物做为一个整体统一了起来。
除呼吸作用之外，呼吸链超级复合物还参与多种生理过程，与超氧化合物的产生以及细胞衰老和程序性死亡之间都有密切的联系，并且超级复合物的组织形式与细胞的生理状态密切相关，因而大量严重的代谢或遗传疾病都与呼吸链超级复合物相关，比如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调、肌萎缩性脊髓侧索硬化症等等，我们的研究成果为这些疾病的治疗提供了重要的结构生物学信息。研究组突破了以往此类蛋白复合物只能从新鲜动物组织中提取的技术壁垒，从体外培养的人源细胞中获得大量该复合物，并解析了人源线粒体呼吸链超级复合物超高分辨率的结构，该复合物人源蛋白的大量纯化及高分辨率结构信息使针对人源呼吸链这一重要药物靶点的相关药物开发由不可能完成的任务变成了可行。目前课题组正在积极开展人源线粒体呼吸链超级复合物与市场已有药物及中药有效成分的互作研究，初步结果显示大量市场上正在出售的药物的副作用靶点为线粒体呼吸链超级复合物系统，此外还发现多种中药有效成分小分子化合物调控线粒体呼吸链的功能，该研究必将为医生指导用药及开发我国宝贵的中药资源提供一个良好的开端。这一系列研究成果为科学家正确理解线粒体的功能提供了坚实的基础，是当前结构生物学乃至生物学研究领域所取得的重大突破性进展，为攻克阿兹海默综合症、帕金森综合症等线粒体缺陷相关的疾病提供了重要的技术和理论支持。
课题组在细胞呼吸分子机理相关领域的研究一直处于世界的前列。2016年的研究成果入选中国科协生命科学联合体2016年度中国生命科学领域十大进展和《细胞》出版社2016中国年度论文等，且均被Faulty1000重点推荐。2017年的《细胞》论文被国际知名的“世界科技研究新闻资讯网(phys.org)”重点介绍，作者评价该研究结果是“揭开了这一具有神秘色彩的生命问题的真面目”，“开启了线粒体呼吸链研究的新篇章”和“为理解近百年来人类针对线粒体呼吸链的研究所积累的生化及突变数据提供了坚实的基础”等。课题组在线粒体呼吸链复合物研究中所取得的一系列重大突破性研究成果，确立了我国科学家在这一重要研究领域的国际领先地位。我们能在这一重要研究领域中脱颖而出，一方面得益于近年来我国良好的科研环境，清华大学提供的优厚的科研条件，以及相关技术的发展；另一方面，还得益于我们线粒体呼吸链超级复合物团队的科学分工、细致以及争分夺秒。我们将继续发挥自己的优势特长，探索线粒体超级复合物领域未知的奥秘。
