哺乳动物线粒体内膜呼吸链超级复合体与ATP合酶寡聚体的结构解析

《Nature Communications》：Structures of respiratory supercomplexes and ATP synthase oligomers in mammalian mitochondrial inner membrane

本研究利用冷冻电镜技术，在牛心肌亚线粒体颗粒上直接解析了FoF1ATP合酶与呼吸链超级复合体的天然结构。研究发现ATP合酶可通过IF?形成二聚体和线形排列的四聚体，并揭示了包含CI1CIII2CIV3的新超级复合体与巨型CI2CIII2CIV6复合体，为理解线粒体能量代谢的高阶结构基础与相关疾病机制提供了关键洞见。

　　

生命的运转需要能量驱动，而线粒体正是细胞中负责生产“能量货币”三磷酸腺苷（ATP）的“发电厂”。在这个发电厂的内膜上，分布着精密而复杂的分子机器。其中，呼吸链复合体（I、III、IV）能够传递电子并泵出质子，形成跨膜电化学梯度；而ATP合酶（F_oF₁ATP synthase）则像一台旋转的水轮机，利用质子回流的力量合成ATP。长期以来，科学家们认为这些蛋白复合体并非各自为战，而是会组装成更大的超级复合体，以提升电子传递效率并减少有害活性氧的产生。然而，这些关键蛋白质机器的精确三维结构，尤其是在它们所处的天然膜环境中究竟如何组装和工作，是结构生物学领域长期面临的挑战。理解这些高阶结构对于揭示细胞能量代谢的核心原理，以及一系列因线粒体功能失调引发的代谢疾病、神经退行性疾病和衰老的分子机制至关重要。为了解决这些根本问题，来自中国科学院与北京大学的研究团队联手，在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。

研究人员运用冷冻电子显微镜（cryo-electron microscopy）这一前沿技术，对从牛心脏线粒体中分离出的亚线粒体颗粒（sub-mitochondrial particles, SMPs）进行了直接观察。这种方法的关键在于能够解析膜蛋白在其近乎天然脂质环境中的结构，避免了传统分离纯化可能造成的结构失真。

F_oF₁ATP合酶在膜中以二聚体和四聚体形式存在

通过高分辨率结构分析，研究团队发现，大部分ATP合酶（F_oF₁）以二聚体的形式存在，并且这种二聚化是由调控因子IF₁所稳定的。更令人惊讶的是，他们还鉴定出一种由两个F_oF₁–IF₁二聚体线性排列组成的四聚体组装形式。这一发现直接证实了ATP合酶的四聚体单元存在于线粒体内膜中，并且为理解其如何塑造线粒体嵴（内膜内褶形成的结构）的尖端形态提供了结构基础。在F_o结构域的电镜密度图中，研究人员解析了e亚基与c₈-环（由8个c亚基组成的环状结构）之间的界面，并观察到在c₈-环内部没有紧密结合的脂质的明确密度。

发现新型呼吸链超级复合体

对呼吸链超级复合体的分析取得了丰硕成果。除了此前已报道的CI₁CIII₂CIV₁和 CI₁CIII₂CIV₂组成形式外，本研究还鉴定出一种新的组装体，其组成为CI₁CIII₂CIV₃。此外，研究团队观察到了一个巨型的CI₂CIII₂CIV₆超级复合体。这些发现极大地扩展了我们对呼吸链复合体之间可能存在的、多样化的高阶组装模式的认识。

这项研究通过结合冷冻电镜与最小化膜组分样本，成功实现了对哺乳动物线粒体内膜中关键能量转换蛋白复合体高阶结构的快速解析。其结论具有多方面的重要意义：首先，它首次在近天然膜环境中揭示了ATP合酶通过IF₁形成稳定二聚体乃至线性四聚体的结构，这直接关联到线粒体嵴的形态发生，为理解线粒体内部结构的形成机制提供了关键证据。其次，新发现的CI₁CIII₂CIV₃超级复合体及巨型CI₂CIII₂CIV₆复合体，揭示了呼吸链组装远超以往认知的复杂性，可能对应着不同的代谢状态或调节功能。总而言之，该工作建立了一种高效解析膜蛋白高阶结构的范式，为在分子架构水平上阐明代谢紊乱和线粒体疾病的发病机理奠定了坚实的基础，未来有望针对这些精细结构开发相关的干预策略。