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呼吸链上的蛋白质结构 20年来教科书可能搞错了
来源:科技日报 2018-08-28 14:56:01

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视觉中国

    《细胞研究》杂志日前发表了一项研究成果,有望推翻教科书上的结论。论文显示,生物体呼吸链中的第4个成员——复合物4的实际结构和科学家历经多年探究绘制而成的并不一样。

    呼吸链,顾名思义,与呼吸有关,完成着生命活动中至关重要的部分。每人每天呼吸将近27000次,吸入氧气,呼出二氧化碳的同时,有机物分解释放能量,而氧气在体内变成水。呼吸通过氧气与二氧化碳的置换,完成支撑生命的氧化还原反应。微观地看,这个普遍却性命攸关的化学反应正是发生在体内的呼吸链上。

    走进细胞内部,你会发现一个称为线粒体的细胞器,在它的内膜上镶嵌着完成生命化学反应的诸多蛋白质。一系列的“电子传递接链”蛋白复合物组成了呼吸链,将电子从链的一头递送到另一头,最终电子传递给氧气的变成水。这条重要的“链”环环相扣,即使稍微出现差错就会导致严重的疾病,甚至导致神经系统疾病,例如老年痴呆症。

    论文通讯作者、清华大学生命科学学院教授杨茂君表示,越清晰地了解蛋白质的精细结构,越能够参透生命体的运转。“可以明确知道哪个原子出了问题,并设计药物有的放矢地干预,以达到治疗效果。”

    蛋白质机器干活、失活两个样儿

    呼吸链掌管着呼吸作用的最基础运转,这条链包含上百种组分,包括5个复合物、细胞色素C等。

    这是一座有条不紊的蛋白质工厂,每个复合物可以看成是固定在线粒体内膜上的一条流水线,通过自身构象的变化推动电子在其上流动。

    “每个复合物由多个不同亚基组成,亚基间的相互作用力与蛋白构象密切相关,历史上有过一段时间,只要解析出单个亚基或者几个亚基的结构,论文就可以上顶级杂志。”杨茂君说。

    困难在于,蛋白质机器在干活的时候是一个样儿,而将它从体内提取出来,失活的时候又是另一个样儿了。而人们却难以在蛋白质“工厂”为生命活动运转时观察它。

    把复合物从生物体中通过破解细胞、提取蛋白并分离纯化后,再进行光学领域的观测,是目前常用的研究手段。随着X射线晶体学、冷冻电镜等重要观测手段的进步,结构生物学得以长足发展,人们可以直接获得蛋白质晶体的构象图片。然而,对于一系列的图像,人们的理解可能并不相同。只有能够解释所有现象的理论,才与真相相符。

    揭开二聚体界面上的“未知”

    “自从二十多年前首次解析了复合物4结构之后,科学家们先后解析了四十几个复合物4的晶体结构,无一例外所有晶体结构中复合物4都是13+13的二聚体。”杨茂君说人们认为复合物4的结构是由13个亚基组成单体,再由两个单体组成二聚体。

    然而,“在我们纯化超级复合物的时候,总有一些复合物4会从超级复合物中解离,并在蛋白胶(一种分离蛋白的胶体)上复合物单体的位置出现。”杨茂君说,这与人们对于复合物4一直以来的认识是不同的。

    实验结果与理论不符让杨茂君决定一探究竟。他发现,此前关于复合物4的解析存在一个明显的时间“分水岭”,近期解析的超级复合物中,所有的复合物4又都是单体。杨茂君解释,这是因为观测方法发生了变化,之前一直使用X射线衍射方法来测定晶体结构,而后随着冷冻电镜手段的发展,人们转换了测定方法。

    既然不同的实验手段会得到不同的蛋白质结构,那么它在体内运转时究竟是什么样子呢?

    获得答案必须追本溯源。实验数据是一切理论的源头。杨茂君决定专门纯化复合物4。历时半个月,该团队获得高分辨率的复合物4结构。“拿到密度图之后,我仔细分析了各个亚基的情况,结果发现13个亚基都吻合匹配,只是在原来认为结合另一个复合物4形成二聚体的界面上存在一团‘未知’。”

    他发现,近年来学术界争议的焦点在于:复合物4到底是2×13个亚基还是14个亚基。争论的焦点在于一个被称为NDUFA4的亚基,此前认为这个亚基是复合物1的一个亚基,然而随着研究的深入,这个亚基却经常跟复合物4一起被纯化出来。

    这团“未知”是不是正好是人们争论的焦点——亚基NDUFA4呢?“我立刻做了一个模型,进行匹配,发现匹配吻合,那团‘未知’正是亚基NDUFA4。”杨茂君说。

    纠错的底气来自扎实的原始实验数据

    这出“张冠李戴”的戏码为什么会发生?13个亚基为什么会抛下单独的亚基NDUFA4相互“连体”呢?

    “我们发现,NDUFA4亚基之所以‘行踪不定’,是因为以往纯化复合物4时会加入一种超强的去垢剂,而这种去垢剂可以把一个稳定结合在复合物4蛋白中的心磷脂拽下来。”杨茂君解释,而这个心磷脂恰恰又对NDUFA4的结合至关重要。

    更巧合的是,这个“爱逃跑”的亚基结合的界面又是一个关键界面,它存在的时候,阻止了13个亚基的复合物“连体”,它被拽下后,让出了位置,使得二聚体出现。

    至此,人们对于复合物4的“误解”终于揭开谜底。“正确的蛋白质结构,能够让我们更加清晰的了解电子传递的路径。”杨茂君说,在复合物4的反应中心,氧气生成了水,同时另一部分质子(H+)直接被泵入线粒体膜间隙中留作它用。

    事实上,远在论文发表前几年,杨茂君就明确了复合物4的结构。面对论文为什么会晚发表的问题,杨茂君回答,“我们要通过全面的实验来验证它是对的,毕竟这个理论已经主导了学界20多年,我们提出全新的观点必须做到严谨。”

    杨茂君认为,原始创新的第一步很可能是科学研究中的“反常”。如同福尔摩斯用敏锐的观察力断案,科学家要对“反常”中体现的真理有敏锐的触感。

    “遇到与理论相悖的实验,我们会先从自身找原因,对实验重复、再重复。如果结果依然,再努力证明所看到的反常现象是对的。”杨茂君说,实验室的传统是,即便得到的实验结果非常符合预期,也要至少重复三次,以保证结果是对的。也正是这些扎实的原始实验数据,给了杨茂君团队对教科书说“不”的底气。

来源:科技日报  编辑:杨英

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