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基础医学院徐晓玲教授团队揭示一种新型质子泵——替代复合物III偶联氢醌氧化和电子传递的分子机制

来源 : 基础医学院     作者 : 徐晓玲教授     时间 : 2024-02-06

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2024131日,我校基础医学院徐晓玲教授团队在国际知名学术期刊The Plant Cell2023IF=12.0)上在线发表了题为“Cryo-EM structure of HQNO-bound Alternative Complex III from an anoxygenic phototrophic bacterium Chloroflexus aurantiacus的研究论文。文章解析了来自于绿色非硫细菌Chloroflexus aurantiacus ACIIICaACIIIp)在天然状态和结合甲基萘醌类似物2-heptyl-4-hydroxyquinoline-N-oxide (HQNO)的冷冻电镜结构,并通过电子顺磁共振、光谱电化学、酶活测定和分子动力学模拟,揭示了CaACIIIp偶联氢醌氧化和电子传递的分子机制。

光合作用(Photosynthesis)和呼吸作用(Respiration)是地球碳氧循环的重要媒介,所产生的能量是生物界赖以生存的基础。基于化学渗透假说,光合和呼吸作用分别通过光合磷酸化和氧化磷酸化,经氢醌:电子受体氧化还原酶偶联电子的传递和质子的跨膜转运,所产生的跨膜质子动力势驱动ATP的合成,为生命活动提供能量。作为光合和呼吸电子传递链共有的组分,细胞色素(cytochromecytb6fcyt bc1复合物(也称为复合物III)在偶联电子传递和质子跨膜转运中发挥着不可或缺的作用,但其偶联机制是长期以来未能明确的前沿科学问题。

近年来,一种全新的电子载体蛋白复合体——替代复合物IIIAlternative Complex IIIACIII)在多种微生物的光合和呼吸电子传递链中被发现。尽管这个复合体的组成和结构都与cyt bc1/b6f完全不同,却在光合和呼吸电子传递链中都发挥着相似的氢醌:电子受体氧化还原酶的功能。目前仅有来自Flavobacterium (F.) johnsoniaeRhodothermus (R.) marinus呼吸链和Roseiflexus (R.) castenholzii光合电子传递链的ACIII结构被解析,但这些结构都没有发现结合的醌分子或底物类似物,使得醌结合位点的位置和构象,以及ACIII偶联氢醌氧化和电子传递的机制缺乏实验证据的支持。

2020年在Science Advances期刊报道了首个光合电子传递链R. castenholzii ACIII的电镜结构后,徐晓玲课题组又解析了CaACIIIp天然状态2.9-Å和结合抑制剂HQNO 2.7-Å分辨率的冷冻电镜结构。在这些结构中,研究人员首先发现了两个新的亚基ActGI,并揭示了两者在维持复合体稳定中发挥的作用(图1A-D)。通过CaACIIIp结合HQNO的电镜结构,首次明确了醌结合口袋的精确位置和构象,发现结合HQNO头部喹啉环的His141Asp171在氢醌氧化中起到关键作用。同时,跨膜亚基ActC质子通道中间三个高度保守的氨基酸(His99His246Arg394)与HQNO结合口袋之间存在着广泛的氢键网络,在偶联氢醌氧化和质子跨膜转运中发挥着重要的作用(图1E-G)。

图1 天然状态和HQNO结合状态下CaACIIIp的电镜结构。

图1 天然状态和HQNO结合状态下CaACIIIp的电镜结构。

与中国科学技术大学田长麟教授团队合作,研究人员通过电子顺磁共振、氧化还原电势、光谱电化学和酶活测定,明确了CaACIIIp氧化氢醌时释放出的电子沿着 [3Fe-4S]6c型血红素传递给下游的电子受体金色蓝素Auracyanin (Ac)-AAc-B(图2A-B)。为了回答CaACIIIp对两种下游电子受体Ac-AAc-B的偏好性这个长久以来颇具争议的问题,研究人员通过分子动力学模拟发现:Ac-AAc-B都通过静电相互作用与CaACIIIpHeme_E结合口袋接触,使得电子从Heme_E直接传递到Ac-A/B的铜离子。然而,Ac-B的铜离子结合区域边缘分散的中性氨基酸残基与ActE亚基中一段特殊的Insertion loop形成更广泛的疏水相互作用,从而赋予Ac-B相对较低的结合自由能(图2C-D)。因此,CaACIIIpAc-B具有形成更稳定的瞬态电子传递配合物的结构特征。

图2 CaACIIIp发挥氢醌:金色蓝素(Auracyanin,Ac)氧化还原酶活性的结构基础。

图2 CaACIIIp发挥氢醌:金色蓝素(Auracyanin,Ac)氧化还原酶活性的结构基础。

这些研究结果扩展了氢醌:电子受体氧化还原酶结构的多样性和分子进化理论,为研究细菌的电子传递链和能量代谢机理提供了理论依据。杭州师范大学为第一通讯单位,基础医学院讲师辛吉瑀、已毕业硕士闵真真、中国科学院合肥物质院强磁场中心副研究员于璐、杭州师范大学博士生苑欣怡为共同第一作者,徐晓玲教授为唯一通讯作者。基础医学院讲师吴文萍、博士生张鑫和吴婧怡、生命与环境科学学院副研究员辛越勇和已毕业硕士何慧敏、美国华盛顿大学Robert E. Blankenship教授、中国科学技术大学田长麟教授等人参与了本文的研究工作。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院青促会项目、浙江省自然科学基金杰出青年项目、稳态强磁场实验装置(SHMFF)、浙江大学和西湖大学冷冻电镜中心的共同支持。


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