我们的科学家解开了分枝杆菌能量代谢之谜

在一项新的研究中，中国科学院生物物理研究所的饶何姿院士、王全研究员、孙飞研究员及其同事分离出耻垢分枝杆菌的呼吸超级复合体，并通过cryo-EM以3.5的分辨率直观观察了其三维结构。这种细菌与结核分枝杆菌密切相关，是研究许多细菌物种的流行模型。这个详细的结构揭示了电子是如何在细胞中传输的，这一过程迄今尚未观察到。相关研究成果于2018年10月25日在线发表在《科学》杂志上，标题为“一种分枝杆菌呼吸超级复合体的电子传递路径连接亚单位”。

通常，在细胞呼吸过程中，能量源(糖、脂肪酸和氨基酸)的氧化与电子受体(氧、硫、硝酸盐和硫酸盐)的还原相耦合，从中获得化学能，合成三磷酸腺苷(ATP)，驱动细胞反应。在有氧细胞呼吸中，电子供体通过电子传递链等转移到末端电子受体时，产生一种叫做质子动力(proton motive force，PMF)的跨膜质子梯度，可以驱动ATP合成，从而产生这种化学能。在这项新的研究中，这些研究人员揭示了酶之间的电子转移存在直接的相关性，这代表了呼吸链的一种新的催化模式。

和醌细胞色素是电子转移链中的两种类型的电子载体，用于在嵌入膜中的较大的大分子结构之间转移电子。四种膜氧化还原酶参与线粒体呼吸链的电子传递。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)。在功能上，复合CIII可以将泛醇氧化为泛醌，并将电子转移到可溶性细胞色素c。然后，电子转移到复合CIV，在那里氧被还原为水。跨膜PMF是由复合物CI、CIII和CIV中的质子泵产生的

在原核生物的呼吸链中，情况更加复杂。由于这种复杂性，原核细胞中完整的电子传递途径尚未确定。因此，有必要了解细菌中参与电子传递的呼吸链超级复合体的完整结构。在这项新的研究中，这些研究人员从耻垢分枝杆菌中提取并纯化了呼吸链超级复合物，并通过低温电子显微镜以3.5的分辨率目测观察其结构。这一结构为揭示呼吸链超级复合体中的直接电子转移机制提供了重要的见解。这个呼吸链超级复合体的大小在200 70 120的范围内，它以对称的线性结构存在，与之前报道的呼吸链超级复合体完全不同。就组成而言，线性CIV1-CIII2-CIV1二聚体的排列使得单个化合物CIV1位于中心的化合物CIII2二聚体的两侧。这些信息揭示了电子转移过程中酶与酶之间存在直接的相关性，代表了呼吸链的一种新的催化模式。这一详细的结构发现有可能有助于针对分枝杆菌的药物发现。

在细菌细胞培养实验中，这些研究人员使用了类似于结核分枝杆菌的抗过氧化氢耻垢分枝杆菌突变体。培养这些细菌细胞，然后根据先前描述的方法(微生物学，2006，152:823-829，DOI 3360 10.1099/Mic.0.28723-0)分离它们的细胞膜。细菌细胞经培养、收集、裂解后，收集其细胞膜沉淀物，然后提取细胞膜中的呼吸链超级复合体。然后，他们使用光谱、质谱和3，3'-二氨基联苯胺(DAB)染色来描述这种呼吸链超级复合物的特征。根据之前的方法(生物化学杂志，2015，DOI :10.1074/JBC)来鉴定血红素基团。M114.624312)，他们通过记录连二硫酸盐还原前后的光谱分析了一些选定的样品。他们使用自然质谱分析纯化的呼吸链超复合物样品，以研究其结构，并使用之前建立的实验方法分析这种呼吸链超复合物中的单个结构成分。

在低温电子显微镜分析过程中，这些研究人员使用乙酸铀酰(1%，w/v)对5l浓度为0.05 mg/ml的耻垢分枝杆菌呼吸链超复合物样品进行负染色，然后使用运行在120kV的Feitecna AI Spirit显微镜拍照，以进行初始结构模型构建。他们通过处理53张自染呼吸链超复杂样品的显微图片，重建了呼吸链超复杂的低分辨率结构。为了完整地重建这个呼吸链超级复合体的结构，他们在低温电子显微镜图像处理过程中，从8200张原始图像中人工选择了7600张。这项研究中的所有图片都是使用PyMOL或UCSF嵌合体构建的。

这些研究人员揭示了耻垢分枝杆菌CIII-CIV呼吸链超级复合体的低温电子显微镜结构。这个呼吸链超级复合体中的电子转移途径从复合体CIII中的喹啉氧化到复合体CIV中的氧还原，这些结果显示了一种新的分叉电子转移机制，可以保证醌循环(Q循环，即质子通过脂质双分子层的净运动)的完成，实现能量转换。超氧化物歧化酶(SOD)直接参与这种呼吸链超级复合体的组装，可以保护其免受活性氧(ROS)的氧化损伤。醌结合位点的分布也为未来基于结构的抗菌药物的开发提供了框架。

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