线粒体呼吸链超级和超超级复合物结构与功能研究

The mitochondrial respiratory chain complexes reside in the inner mitochondrial membrane and have important roles in energy conversion. Respiratory chain complexes consist of four complexes named complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), complex II (succinate dehydrogenase), complex III (cytochrome bc1 complex), and complex IV (cytochrome c oxidase). All these complexes have multiple subunits and co-factors and play a role of transferring electrons and establishing the proton gradient for ATP synthesis by complex V (ATP synthase). These complexes can assemble into supercomplexes or megacomplex. Dysfunction of mitochondrial respiratory chain complexes can lead to various serious diseases, for example, Alzheimer’s disease. In this project, using advanced purification method and high-performance single-particle cryo-electron microscopy, we try to solve the atomic cryo-EM structure of mitochondrial supercomplex or megacomplex. Our structure will not only reveal the precise composition and arrangement of the respiratory chain complexes, but also suggest possible mechanism of how the electrons are transferred from the NADH to Cyt.c. It will help us know more about cell respiration and have great significance to treat respiratory chain complexes related diseases.

线粒体呼吸链复合物分布于细胞线粒体内膜上，是执行细胞呼吸的大分子机器，包括复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（琥珀酸脱氢酶）、复合物III（细胞色素bc1复合体）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）四种复合物，所有这些复合物都是由多个蛋白亚基和多个参与电子传递辅基组成的。四种复合物通过传递电子和产生膜两侧质子浓度梯度来驱动复合物V(ATP合成酶)合成ATP，从而为生命活动提供能量。这些复合物相互结合会形成更高级的组织形式—呼吸链超级复合物或超超级复合物。细胞呼吸是最基础的生命活动，呼吸链复合物功能异常可导致多种疾病，如阿兹海默综合症。本项目拟利用线粒体提纯技术、蛋白纯化技术、单颗粒冷冻电镜技术等手段，解析呼吸链超级复合物或超超级复合物的精细结构，根据高分辨或超高分辨率结构数据，更好的阐释线粒体呼吸链的结构组织形式，这对于深入解释呼吸链复合物工作机理，以及治疗相关线粒体疾病具有重要的意义。

氧化磷酸化是生物体内最基础的能量代谢活动，是细胞内的有机分子通过一系列的分解代谢过程被氧化分解为水和二氧化碳，细胞利用释放的能量将ADP磷酸化形成ATP的生物学过程。氧化磷酸化是由位于线粒体内膜上的五种蛋白复合物分步完成的，分别为复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（琥珀酸脱氢酶）、复合物III（细胞色素c还原酶）、复合物IV（细胞色素c氧化酶）和复合物V（ATP合酶）。其中前四种复合物负责氧化（即传递电子给氧气），被称为呼吸链。复合物V（ATP合酶），负责磷酸化。复合物I-V一起组成了氧化磷酸化系统。本项目的研究工作主要围绕高等哺乳动物氧化磷酸化系统复合物结构与功能研究展开，主要研究内容包括：线粒体呼吸链超级复合物I1III2IV1的结构与功能，以及线粒体超超级复合物I2III2IV2结构与功能。本项目在线粒体ATP合酶四聚体中高分辨率结构，呼吸链超级复合物I1III2IV1/超超级复合物I2III2IV2不同构象状态高分辨率结构，以及不同催化状态的线粒体复合物I超高分辨率结构方面取得重要进展。这些重要研究结果阐释了高等哺乳动物氧化磷酸化系统复合物的结构组成样式、发挥功能的分子机理、协同作用关系以及对线粒体嵴的形态的影响。为深入理解哺乳动物线粒体氧化磷酸化系统的工作机理以及治疗细胞呼吸相关的疾病提供了重要的结构基础。对于指导靶向线粒体氧化磷酸化系统复合物的小分子药物设计具有重要的意义。