從結構上揭示分枝桿菌能量代謝機制

在一項新的研究中，中國科學院生物物理研究所的饒子和（Zihe Rao）院士、Quan Wang研究員、孫飛（Fei Sun）研究員及其同事們分離出恥垢分枝桿菌（Mycobacterium smegmatis）的呼吸鏈超級復合物（respiratory supercomplex），并且利用低溫電鏡（cryo-EM）技術在3.5 ?的分辨率下可視化觀察它的三維結構。這種細菌與結核分枝桿菌存在著密切的親緣關系，而且是一種用于研究許多細菌物種的流行模型。這種詳細的結構揭示出電子如何在一種迄今為止觀察不到的過程中在細胞內傳遞。相關研究結果于2018年10月25日在線發表在Science期刊上，論文標題為“An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex”。

通常，在細胞呼吸期間，能量來源（糖、脂肪酸和氨基酸）的氧化與電子受體（氧氣、硫、硝酸鹽和硫酸鹽）的還原偶聯在一起，從中可獲得化學能來合成三磷酸腺苷（ATP）和驅動細胞反應。在有氧細胞呼吸中，這種化學能的產生方式是當電子供體通過電子傳遞鏈（electron transport chain, ETC）傳遞到末端電子受體時產生一種稱為質子動力勢（proton motive force, PMF）的跨膜質子梯度，這種質子動力勢可驅動ATP合成。在這項新的研究中，這些研究人員揭示了酶之間的電子傳遞存在直接關聯性，這代表著一種新的呼吸鏈催化模式。

醌和細胞色素是電子傳遞鏈中的兩種類型的電子載體，用于在嵌于膜中的較大的大分子結構之間傳遞電子。四種膜氧化還原酶參與線粒體呼吸鏈的電子傳遞。它們包括復合物I（NADH:泛醌氧化還原酶, CI），復合物II（琥珀酸:泛醌氧化還原酶, CII），復合物III（bc1型泛醇;細胞色素c氧化還原酶，bc1型CIII）和復合物IV（aa3型細胞色素c氧化酶，aa3型CIV）。從功能上說，復合物CIII能夠將泛醇氧化成泛醌并將電子傳遞給可溶性的細胞色素c。電子隨后被傳遞到復合物CIV，在那里氧氣被還原成水。跨膜PMF通過復合物CI、CIII和CIV中的質子泵浦產生。

在原核生物的呼吸鏈中，情況更為復雜。由于這種復雜性，尚未在原核生物的細胞中確定完整的電子傳遞途徑。因此，有必要了解參與細菌電子傳遞的一種呼吸鏈超級復合物的完整結構。在這項新的研究中，這些研究人員從恥垢分枝桿菌中提取出并純化了這種呼吸鏈超級復合物，并利用低溫電鏡技術在3.5 ?的分辨率下可視化觀察它的結構。這種結構為揭示這種呼吸鏈超級復合物中的電子直接傳遞機制提供了重要的見解。這種呼吸鏈超級復合物的尺寸在200×70×120 ?的范圍內，以一種對稱的線性結構存在著，這完全不同于之前報道的呼吸鏈超級復合物。從組成上來說，線性的CIV1-CIII2-CIV1二聚體如此排列著以至于單個復合物CIV1位于中央的復合物CIII2二聚體的兩側。這種信息揭示了在電子傳遞過程中酶之間存在著直接的關聯性，這代表著一種新的呼吸鏈催化模式。這種詳細的結構發現有潛力協助開展抵抗分枝桿菌的藥物發現工作。

在細菌細胞培養實驗期間，這些研究人員使用類似于結核分枝桿菌的過氧化氫抵抗性恥垢分枝桿菌突變株。培養這些細菌細胞，隨后按照之前描述的方法（Microbiology, 2006, 152:823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0）分離它們的細胞膜。在細菌細胞培養、收集和裂解后，收集它們的細胞膜沉淀，接著提取出細胞膜中的呼吸鏈超級復合物。他們隨后利用光譜學方法、質譜法和3,3'-二氨基聯苯胺（DAB）染色法描述了這種呼吸鏈超級復合物的特征。為了鑒定出血紅素基團，按照之前的方法（Journal of Biological Chemistry, 2015, doi:10.1074/jbc.M114.624312），他們在連二硫酸鹽還原之前和之后通過記錄光譜來分析所選的部分樣品。他們使用天然質譜法分析純化的呼吸鏈超級復合物樣品以便研究它的結構，并且使用之前建立的實驗方法分析這種呼吸鏈超級復合物中的單個結構組分。

在低溫電鏡分析期間，這些研究人員使用乙酸雙氧鈾（1％, w/v）對5μl的濃度為0.05 mg/ml的恥垢分枝桿菌呼吸鏈超級復合物樣品進行負染色，隨后利用在120kV下運行的FEI Tecnai Spirit顯微鏡上拍攝圖片用于初始的結構模型構建。他們通過處理來自負染色的呼吸鏈超級復合物樣品的53張顯微圖片，重建出這種呼吸鏈超級復合物的低分辨率結構。為了完全重建這種呼吸鏈超級復合物的結構，他們在低溫電鏡圖片處理期間從8200張原始圖片中手工選擇出7600張。這項研究中的所有圖片都是利用PyMOL或UCSF chimera構建出來的。

這些研究人員揭示出恥垢分枝桿菌CIII-CIV呼吸鏈超級復合物的低溫電鏡結構。這種呼吸鏈超級復合物內部的電子傳遞途徑的范圍從復合物CIII中的醌醇（quinol）氧化到復合物CIV中的氧氣還原。這些研究結果顯示了一種新的分叉電子傳遞機制，從而確保完成醌循環（Q cycle, 即質子穿過脂質雙層的凈運動）而實現能量轉換。氧化物歧化酶（SOD）直接參與這種呼吸鏈超級復合物的組裝，能夠讓它免受活性氧（ROS）的氧化損傷。醌結合位點的分布也為在未來開發基于結構的抗微生物藥物提供了一種框架。