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科研进展

 

生命中心PI杨茂君研究组发表文章揭示呼吸链复合物III的不完全对称结构


        2018年3月6日,清华大学生命科学学院杨茂君教授研究组在《蛋白&细胞》(Protein&Cell)杂志发表题为《UQFCRFS1N介导呼吸链复合物III组装形成不完全对称的21亚基二聚体》(UQCRFS1N assembles mitochondrial respiratory complex III into an asymmetric 21-subunit dimer)的文章,通过对此前呼吸链复合物III晶体结构的细致分析,解释了此前复合物III结构中普遍存在的一项重大缺陷,并通过重新计算提出了复合物III新的亚基组成和不完全对称结构,结合呼吸链超级复合物的研究认为复合物III存在两种形式且两个亚基都具有生物学活性,为超超级复合物的形成提供了支持。

虽然高等生物线粒体呼吸链复合物III的结构在20多年前就已经分别得到了解析,相关科学研究先后解析了该复合物近50个结构,但是杨茂君教授在其研究中发现,以往所解析这些结构在组份构成及结论上存在着一个普遍的漏洞。一个非常奇怪的现象是,在所有已经解析的46个多物种来源的复合物III的晶体结构中均没有UQCRFS1N亚基全长蛋白的结构。常言道,“事出反常必有妖”,杨茂君教授认为之前关于UQCRFS1N亚基的处理一定有不合理的地方。

通过对此前的牛源复合物III (PDB:2A06)和鸡源复合物III (PDB:3TGU)的晶体结构的重新计算(图一),杨茂君教授发现此前认为在两个复合物III的单体中都存在完整的UQCRFS1N亚基的思维定势是不正确的,事实上,在一个复合物III的两个单体中只存在一个完整的UQCRFS1N亚基,其N端位于复合物III的一个单体中,C端位于复合物III的另一个单体中。也就是说,一个完整的UQCRFS1N亚基将复合物III的两个单体连接起来了,每个复合物III的单体结合UQCRFS1N亚基的位点都既可以结合UQCRFS1N的N端又可以结合UQCRFS1N的C端。但是UQCRFS1N的N端和C端具有不同的构象,也就是说复合物III事实上是一个不完全对称的二聚体,而之前的结构分析正是由于忽略了这一点而将复合物III两个单体中UQCRFS1N的结合位点按照完全对称的情况来处理导致计算出的UQCRFS1N电子云密度模糊不清,因而无法获得全长的UQCRFS1N的结构。

在得出复合物III是一个不完全对称的二聚体的结论后,杨茂君教授研究组意识到复合物III在超级复合物I1III2IV2的结合中是具有方向性的。在对研究组得到的超级复合物的电镜数据进行分析后发现,复合物III在超级复合物中结合的两种方向都具有活性,也从侧面论证了超级复合物中复合物III的两个单体都是有生理活性的,因而也为超超级复合物I2III2IV2的形成提供了支持。

总结而言,通过对以往呼吸链复合物III晶体结构数据的重新分析,杨茂君教授发现复合物III不是传统意义上的由11种不同亚基,22个蛋白构成的对称二聚体,而是由21个亚基构成的不对称二聚体,其中UQCRFS1N亚基的N和C两个末端分别插入两个由10种亚基构成的复合物中,进而介导它们的二聚化。该发现不仅指出了20多年来相继解析的46个高等生物复合物III结构中的漏洞,完美的解释了为什么这么多晶体结构中从来都没有人构建出完整的UQCRFS1N亚基的结构,而且让我们重新认识了该复合物的组装及发挥功能的过程。因此,以往与复合物III的组装过程相关的一些研究需要重新考虑结论是否合理。

本工作获得清华大学结构生物学高精尖中心、国家蛋白质科学研究(北京)设施清华基地、清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金和国家自然科学基金的大力支持。

图一 呼吸链复合物III修正后的晶体结构(PDB:2A06)

A. 修正后复合物III的整体结构,显示UQCRSF1N的结合位点

B. UQCRFS1N结合在复合物III中的两种方向,揭示了复合物III不完全对称的性质

 

 




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