基础医学院徐晓玲课题组在PNAS发文

揭示F型ATP合酶一种新的亚基组装方式和质子跨膜转运机制

第一作者：张鑫

通讯作者：徐晓玲

发表期刊：PNAS

期刊5-Year Impact Factor：10.8

通讯单位：杭州师范大学基础医学院

论文DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.2425824122

（一）图片摘要

（二）成果简介

2025年3月25日，基础医学院徐晓玲课题组在国际著名杂志PNAS发表题为“Structure of ATP synthase from an early photosynthetic bacterium Chloroflexus aurantiacus”的研究论文。本研究解析了来自绿色非硫细菌Chloroflexus aurantiacus 的F型ATP合酶（CaF₁F_O）在结合底物前后各三个旋转状态的高分辨率冷冻电镜结构，结合结构分析和催化活性测定，发现了ATP合酶一种全新的亚基组装方式和质子跨膜转运机制。

（三）引言

F型ATP合酶（F-type ATP synthase，F₁F_O）广泛分布于线粒体内膜、叶绿体类囊体膜、异养菌和光合细菌的质膜上，利用呼吸和光合电子传递过程中产生的质子动力势（Proton motive force，PMF）旋转催化ADP和无机磷酸盐合成细胞的“能量货币”ATP。作为细胞能量代谢的发动机，自1960年被发现以来，F₁F_O的亚基组成、空间结构和作用机制一直是生物学研究的热点。

从细菌到人的所有物种中，F₁F_O都由一个可溶的催化头部F₁和一个膜包埋的F_O组成，两者通过一个弓形的外周茎和一个可旋转的中心轴相连接。F₁由三对交替排列的α/β亚基构成，围绕中心轴（γ和ε亚基）组成类似橘瓣的六聚体，通过β亚基的构象改变催化ATP的合成与水解。F_O包含一个跨膜的a亚基和8~17个c亚基形成的c环，a亚基与c环的界面上分布着开口朝向膜两侧的2个质子转运半通道，并与外周茎（b₂δ）紧密结合而组成“定子”；c环的顶端与中心轴接触组成“转子”。在PMF的作用下，质子通过a亚基的跨膜转运驱动c环及中心轴的连续转动，继而引起α₃β₃的活性中心发生周期性构象改变，从而催化ATP的合成。

为了适应光照条件改变引起的快速PMF变化，光合生物的F₁F_O在进化中获得了独特结构特征和调控机制。与细菌和线粒体F₁F_O含有8~13个c亚基不同，植物叶绿体和蓝细菌的F₁F_O通过增加c亚基的数目（13~15）来提高H⁺/ATP比率。为了适应光照与黑暗环境的转变，叶绿体F₁F_O通过γ亚基中一段插入序列中二硫键的氧化还原来调控ATP的水解活性。作为具有原始光能合成体系的原核生物，光合细菌是研究光合作用起源和进化、物质能量代谢机制的良好模式生物。然而，除了叶绿体F₁F_O的结构，目前还没有任何来自光合细菌完整F₁F_O结构相关的报道，限制了对F₁F_O起源、进化和作用机制多样性的深入理解。

（四）图文导读

徐晓玲课题组前期聚焦地球上出现最早的光合细菌——绿色非硫细菌的电子传递和能量代谢机制，通过对其光合膜蛋白复合物的结构和功能研究，系统揭示了环式电子传递链的组成和作用机制（Nat Commun. 2018；Sci Adv. 2020；Photosynth Res. 2020；eLife, 2023；Plant Commun, 2024；Plant Cell, 2024；Structure，2025）。然而，此类光合细菌合成ATP的分子机制仍不清楚。

本研究以Chloroflexus aurantiacus为材料，内源分离提取出完整的ATP合酶（CaF₁F_O），分别解析了结合和不结合底物ADP的样品在三种旋转状态下的高分辨电镜结构，并发现了一种全新的F₁F_O结构特征和独特的质子跨膜转运机制。与以往报道的所有ATP合酶截然不同，CaF₁F_O含有2个外周茎（b1b2δ1和b3b4δ2）和2个跨膜转运质子的a亚基（图1A）。在旋转催化过程中，2个外周茎为偶联CaF₁进动（precession）和c₁₀环的旋转提供了显著的结构稳定性和构象灵活性：2个外周茎中间螺旋区域呈现出不对称的弯曲形态，以防止旋转催化过程中CaF₁头部的摆动（图1B）；在CaF₁顶端，2个δ亚基的N端（δ-N）形成二聚体，通过显著的构象变化释放旋转过程中储存的弹性能量（图1C）。

图1 CaF₁F_O的电镜结构和三个旋转状态之间的构象变化

最特别的是，2个a亚基在膜周质侧和胞质侧分别形成2个质子入口和2个质子出口，赋予CaF₁F_O独特的质子跨膜转运机制。在PMF的驱动下，膜周质侧的质子通过入口同时进入a/c₁₀环交界面的2个质子半通道。由于2个“检查点”aArg249和2个质子出口的存在，c₁₀环只需要旋转4个和6个子步骤就可以将质子转运到胞质侧。与仅含有1个a亚基和c₁₀环的ATP合酶相比，CaF₁F_O的c₁₀环旋转一周可以跨膜转运20个质子并催化3分子ATP的合成（图2）。因此，通过增加a亚基的数目，CaF₁F_O获得了显著高于传统单个a亚基F₁F_O的H⁺/ATP比率，以适应极端环境中光照条件改变所引起的快速PMF变化。

图2 CaF₁F_O的质子跨膜转运机制

综上所述，本研究解析了首个来自进化早期光合细菌的完整F₁F_O结构，揭示了一种全新的F₁F_O亚基组装方式和质子跨膜转运机制。这一发现填补了对光合细菌ATP合酶结构和催化机制研究的空白，全面绘制了丝状不放氧光合细菌光合磷酸化的全景图，将为基于ATP合酶结构的酶改造、靶向药物设计、人工细胞器和仿生系统的设计等提供新思路。

杭州师范大学基础医学院博士生张鑫为论文第一作者，徐晓玲教授为通讯作者，清华大学饶子和院士为研究内容提供了宝贵建议。课题组博士生吴婧怡、洪鑫，硕士生王佳茂、裴鑫楷和硕士毕业生闵真真参与了研究。冷冻电镜样品的检查和数据的收集得到了浙江大学和西湖大学冷冻电镜中心的共同支持。

（五）作者简介

第一作者：张鑫，2022级生物学博士生（二排左一），以第一作者（含共同）在eLife、mBio和Frontiers in Microbiology等期刊发表研究论文5篇。

参与作者：博士生吴婧怡（前排右一）、洪鑫（前排右二），硕士生王佳茂（二排右一）、裴鑫楷（前排左一）和已硕士毕业生闵真真。

通讯作者：徐晓玲

徐晓玲，教授，博士生导师，中国生物物理学会光生物物理专业委员会委员、中国微生物学会自养微生物专业委员会委员、浙江省神经科学学会分子神经生物学专业委员会委员。综合运用生物化学、生物物理和合成生物学方法，研究细胞能量代谢过程中重要生物大分子的结构和功能，开展以结构为基础的蛋白质分子设计，探索其在生物固碳、绿色化工和医药领域的应用（课题组网站http://bms.hznu.edu.cn/xuxllab/）。近年来以通讯作者在PNAS、 Science Advances、Nature Communications、Plant Cell、mBio等期刊发表研究论文40余篇，主持国家自然科学基金项目6项，浙江省自然科学基金杰出青年项目等，现任Communications Biology期刊编委。

文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2425824122