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Science:从结构上揭示分枝杆菌能量代谢机制
  • 发布日期:2018-11-08      浏览次数:60
    • 在一项新的研究中,中国科学院生物物理研究所的饶子和(Zihe Rao)院士、Quan Wang研究员、孙飞(Fei Sun)研究员及其同事们分离出耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)的呼吸链超级复合物(respiratory supercomplex),并且利用低温电镜(cryo-EM)技术在3.5 Å的分辨率下可视化观察它的三维结构。这种细菌与结核分枝杆菌存在着密切的亲缘关系,而且是一种用于研究许多细菌物种的流行模型。这种详细的结构揭示出电子如何在一种迄今为止观察不到的过程中在细胞内传递。相关研究结果于2018年10月25日在线发表在Science期刊上,论文标题为“An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex”。

      通常,在细胞呼吸期间,能量来源(糖、脂肪酸和氨基酸)的氧化与电子受体(氧气、硫、硝酸盐和硫酸盐)的还原偶联在一起,从中可获得化学能来合成三磷酸腺苷(ATP)和驱动细胞反应。在有氧细胞呼吸中,这种化学能的产生方式是当电子供体通过电子传递链(electron transport chain, ETC)传递到末端电子受体时产生一种称为质子动力势(proton motive force, PMF)的跨膜质子梯度,这种质子动力势可驱动ATP合成。在这项新的研究中,这些研究人员揭示了酶之间的电子传递存在直接关联性,这代表着一种新的呼吸链催化模式。
       

      图片来自Science,doi:10.1126/science.aat8923。

       

      醌和细胞色素是电子传递链中的两种类型的电子载体,用于在嵌于膜中的较大的大分子结构之间传递电子。四种膜氧化还原酶参与线粒体呼吸链的电子传递。它们包括复合物I(NADH:泛醌氧化还原酶, CI),复合物II(琥珀酸:泛醌氧化还原酶, CII),复合物III(bc1型泛醇;细胞色素c氧化还原酶,bc1型CIII)和复合物IV(aa3型细胞色素c氧化酶,aa3型CIV)。从功能上说,复合物CIII能够将泛醇氧化成泛醌并将电子传递给可溶性的细胞色素c。电子随后被传递到复合物CIV,在那里氧气被还原成水。跨膜PMF通过复合物CI、CIII和CIV中的质子泵浦产生。

      在原核生物的呼吸链中,情况更为复杂。由于这种复杂性,尚未在原核生物的细胞中确定完整的电子传递途径。因此,有必要了解参与细菌电子传递的一种呼吸链超级复合物的完整结构。在这项新的研究中,这些研究人员从耻垢分枝杆菌中提取出并纯化了这种呼吸链超级复合物,并利用低温电镜技术在3.5 Å的分辨率下可视化观察它的结构。这种结构为揭示这种呼吸链超级复合物中的电子直接传递机制提供了重要的见解。这种呼吸链超级复合物的尺寸在200×70×120 Å的范围内,以一种对称的线性结构存在着,这完全不同于之前报道的呼吸链超级复合物。从组成上来说,线性的CIV1-CIII2-CIV1二聚体如此排列着以至于单个复合物CIV1位于中央的复合物CIII2二聚体的两侧。这种信息揭示了在电子传递过程中酶之间存在着直接的关联性,这代表着一种新的呼吸链催化模式。这种详细的结构发现有潜力协助开展抵抗分枝杆菌的药物发现工作。

      在细菌细胞培养实验期间,这些研究人员使用类似于结核分枝杆菌的过氧化氢抵抗性耻垢分枝杆菌突变株。培养这些细菌细胞,随后按照之前描述的方法(Microbiology, 2006, 152:823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0)分离它们的细胞膜。在细菌细胞培养、收集和裂解后,收集它们的细胞膜沉淀,接着提取出细胞膜中的呼吸链超级复合物。他们随后利用光谱学方法、质谱法和3,3'-二氨基联苯胺(DAB)染色法描述了这种呼吸链超级复合物的特征。为了鉴定出血红素基团,按照之前的方法(Journal of Biological Chemistry, 2015, doi:10.1074/jbc.M114.624312),他们在连二硫酸盐还原之前和之后通过记录光谱来分析所选的部分样品。他们使用天然质谱法分析纯化的呼吸链超级复合物样品以便研究它的结构,并且使用之前建立的实验方法分析这种呼吸链超级复合物中的单个结构组分。

      在低温电镜分析期间,这些研究人员使用乙酸双氧铀(1%, w/v)对5μl的浓度为0.05 mg/ml的耻垢分枝杆菌呼吸链超级复合物样品进行负染色,随后利用在120kV下运行的FEI Tecnai Spirit显微镜上拍摄图片用于初始的结构模型构建。他们通过处理来自负染色的呼吸链超级复合物样品的53张显微图片,重建出这种呼吸链超级复合物的低分辨率结构。为了完全重建这种呼吸链超级复合物的结构,他们在低温电镜图片处理期间从8200张原始图片中手工选择出7600张。这项研究中的所有图片都是利用PyMOL或UCSF chimera构建出来的。 

      这些研究人员揭示出耻垢分枝杆菌CIII-CIV呼吸链超级复合物的低温电镜结构。这种呼吸链超级复合物内部的电子传递途径的范围从复合物CIII中的醌醇(quinol)氧化到复合物CIV中的氧气还原。这些研究结果显示了一种新的分叉电子传递机制,从而确保完成醌循环(Q cycle, 即质子穿过脂质双层的净运动)而实现能量转换。氧化物歧化酶(SOD)直接参与这种呼吸链超级复合物的组装,能够让它免受活性氧(ROS)的氧化损伤。醌结合位点的分布也为在未来开发基于结构的抗微生物药物提供了一种框架。(生物谷)

      参考资料:

      Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex. Science, Published Online: 25 Oct 2018, doi:10.1126/science.aat8923.

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