2012年10 月21日，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君研究組在Nature在線發(fā)表了題為《Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases（線粒體II型NADH脫氫酶的結(jié)構(gòu)與功能）》的科研論文，報(bào)道了二型NADH-泛醌氧化還原酶Ndi1的晶體結(jié)構(gòu)，并對其生理功能和工作機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。生命學(xué)院博士生馮越、李文斐、李堅(jiān)為本文的共同*作者，楊茂君博士為本文的通訊作者。
*，位于線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈?zhǔn)巧矬wzui重要的能量來源。呼吸鏈，又稱電子傳遞鏈，由復(fù)合物I-V組成，是將代謝過程中產(chǎn)生的電子從NADH或FADH2向氧分子傳遞的系統(tǒng)，zui終生成ATP為生物體提供能量。其中的復(fù)合物Ⅰ，又稱NADH-泛醌氧化還原酶（NDH-1），是這些電子進(jìn)入電子傳遞鏈zui重要的入口。在多種生物中，復(fù)合物Ⅰ可以被一類稱為二型NADH氧化還原酶（NDH-2）的蛋白所取代，這類蛋白以FAD為輔基催化電子從NADH傳遞給泛醌（UQ）。NDH-2在多種病原微生物中高度保守，如結(jié)核桿菌、瘧原蟲、剛地弓形蟲等。由于在呼吸鏈中的重要地位，這類蛋白一直被認(rèn)為是一個(gè)重要的藥物靶點(diǎn)。同時(shí)，很多人類疾病尤其是帕金森氏病等神經(jīng)退行性疾病都與復(fù)合物Ⅰ的缺陷有關(guān)，而外源表達(dá)的Ndi1蛋白（釀酒酵母的一種NDH-2）可以在包括小鼠在內(nèi)的多種生物中取代缺陷的復(fù)合物I使機(jī)體恢復(fù)正常。此外該蛋白在果蠅中的表達(dá)可以大大延長果蠅的壽命。因此Ndi1也被認(rèn)為是一個(gè)潛在的基因治療靶點(diǎn)。
自1966年被發(fā)現(xiàn)以來，人們對NDH-2的生化特性和催化機(jī)制進(jìn)行了大量的研究。但由于缺少這類蛋白的結(jié)構(gòu)信息，現(xiàn)有的許多生化數(shù)據(jù)始終得不到很好的解釋，而且存在多處矛盾亟待解決。楊茂君研究組經(jīng)過多年的不懈努力，成功解析了Ndi1這一重要蛋白質(zhì)的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及Ndi1與NADH、UQ以及NADH-UQ三種底物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)。有趣的是，在所有晶體結(jié)構(gòu)中，Ndi1均以同源二聚體形式存在，這與先前認(rèn)為其可能以單體形式發(fā)揮功能的猜測不同。生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，Ndi1具有一個(gè)在NDH-2中高度保守的C端結(jié)構(gòu)域（CTD），該結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了Ndi1二聚體化，進(jìn)而使其形成一個(gè)廣泛的疏水區(qū)域，這賦予了Ndi1附著在線粒體內(nèi)膜上的特性。隨后的生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了以上的觀點(diǎn)。同時(shí)，三種Ndi1-底物復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解析證明了在Ndi1中同時(shí)存在兩個(gè)泛醌結(jié)合位點(diǎn)。結(jié)合電子順磁共振實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，作者zui終提出了Ndi1催化電子從NADH傳遞給泛醌UQ的機(jī)制（圖）。這些研究結(jié)果不但很好的解釋了當(dāng)前許多看似相互矛盾的生化數(shù)據(jù)，而且為研究NDH-2介導(dǎo)電子傳遞的詳細(xì)機(jī)制、針對NDH-2的藥物設(shè)計(jì)以及更好地將Ndi1應(yīng)用于基因治療提供了基礎(chǔ)。
該研究與生命學(xué)院王佳偉副教授、吳嘉煒教授和周兵教授，*植物研究所的曾慶銀研究員以及中國科技大學(xué)的田長麟研究員等研究組合作完成。上海同步輻射以及合肥強(qiáng)磁場科學(xué)中心分別為晶體數(shù)據(jù)收集和電子順磁共振實(shí)驗(yàn)提供了及時(shí)有效的支持。該研究獲得*重大研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目及清華-北大生命聯(lián)合中心的支持。
在該研究中，楊茂君課題組主要通過大量的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究提出了該家族蛋白的可能的工作機(jī)制，然后綜合運(yùn)用了生物信息學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、以及物理學(xué)等多學(xué)科手段證明了這些發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)地研究了該家族代表性的蛋白Ndi1的各方面特性，地展示了該蛋白發(fā)揮其線粒體呼吸鏈電子傳遞入口這一重要生物學(xué)功能的機(jī)理，是迄今已報(bào)道的該蛋白家族的研究中zui系統(tǒng)、zui全面的一次研究。
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