基础医学院徐晓玲教授联合生命与环境科学学院辛越勇、上海交通大学田长麟教授等在Nature Communications发文揭示琥珀酸脱氢酶一种新的工作机制

第一作者：张鑫 吴婧怡

通讯作者：徐晓玲

发表期刊：Nature Communications

期刊5-Year Impact Factor : 15.7

通讯单位：杭州师范大学基础医学院

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65828-3

（一）成果简介

2025年11月28日，基础医学院徐晓玲教授联合生命与环境科学学院辛越勇副研究员、上海交通大学田长麟教授、中国科学技术大学于璐研究员等在Nature Communications发表了题为“Structural basis of menaquinone reduction by succinate dehydrogenase from Chloroflexus aurantiacus”的研究论文。工作解析了来自进化早期绿色丝状不放氧光合细菌Chloroflexus aurantiacus琥珀酸脱氢酶（CaSDH）在天然状态、脂质结合状态和MK结合状态的冷冻电镜结构，结合电子自旋共振、生化活性和分子动力学模拟等方法，发现了单跨膜亚基的双血红素琥珀酸：醌氧化还原酶（SQR）新的甲基萘醌（MK）结合位点和电子传递路径，为基于结构的抑制剂设计和抗菌药物研发提供了理论依据。

（二）引言

琥珀酸：醌氧化还原酶（SQR），又称复合体II或琥珀酸脱氢酶（SDH），是细胞内连接三羧酸循环和呼吸电子传递链的关键膜蛋白。哺乳动物线粒体和多种原核生物中，SQR催化琥珀酸氧化并偶联高电势醌（如泛醌）的还原，其功能失调引起电子传递受阻、代谢紊乱和活性氧（ROS）的过度积累，诱发神经退行性疾病和肿瘤等疾病的发生。以低电势醌，如甲基萘醌（MK）为呼吸醌的微生物（如幽门螺杆菌、空肠弯曲菌、耻垢分枝杆菌和枯草芽孢杆菌等）中，SQR偶联琥珀酸的氧化与低电势醌的还原，此吸能反应在有氧呼吸和能量转化中发挥关键作用。相较于泛醌依赖的SQR，但人们对MK依赖型SQR的结构和催化机理知之甚少。

（三）图文导读

基于课题组前期对丝状不放氧光合细菌电子传递链和固碳机制的系统研究（Nat Commun 2018；Sci Adv 2020；eLife 2023；mBio 2023, 2024；Plant Commun 2024；Plant Cell 2024；Structure 2025；PNAS 2025），作者首先对内源提取的CaSDH进行活性测定，证实其具有琥珀酸：醌氧化还原酶和富马酸还原酶的双重催化活性。

基于CaSDH在天然状态（2.62 Å）、脂质结合态（2.69 Å）、MK4结合态（2.90 Å）和MK7结合态（2.74 Å）的高分辨率结构，发现CaSDH形成一个锥状的三聚体，每个单体含有2个亲水亚基SdhA、SdhB和1个跨膜亚基SdhC。其中，SdhA结合FAD和琥珀酸分子，催化琥珀酸到延胡索酸的转化；SdhB结合3个铁硫簇（[2Fe-2S]、[4Fe-4S]、[3Fe-4S]）；SdhC含有2个b-型血红素（b_P和b_Q）和2个MK结合位点：一个经典的Q_P 位点和一个独特的Q_D位点（图1）。Q_P 靠近 [3Fe-4S] 簇处，关键残基Asp-C118和Tyr-C119在MK还原中发挥关键作用；而Q_D位于SdhC的周质侧，其空间位置和构象与以往报道的所有SQR均不同。由众多疏水氨基酸组成的Q_D位点中，一个非保守的Glu64残基在MK的结合和还原中发挥关键作用。值得注意的是，在脂质结合态中，Q_P位点被一个十二烷基-β-D-麦芽糖苷（DDM）分子占据，而Q_D位点则结合一个磷脂酰乙醇胺（PE）分子，提示脂质环境对醌的结合具有调控作用。

图1 CaSDH的生理作用、电子顺磁共振（EPR）和电镜结构。

为了明确CaSDH的电子传递路径，作者通过电子顺磁共振（EPR）对金属中心的氧化还原状态进行表征，发现3个铁硫簇和2个b-型血红素均参与琥珀酸氧化和MK还原过程的电子传递。结合电子传递路径计算和酶活分析，作者提出MK分别在Q_P和Q_D位点发生还原的电子传递路径。CaSDH氧化琥珀酸释放出的电子依次经FAD、[2Fe-2S]、[4Fe-4S]传递，在[3Fe-4S]处发生分叉：从[3Fe-4S]传递至Q_P位点的MK通过Asp-C118和Tyr-C119发生还原；自[3Fe-4S]传出的电子经两个b型血红素传递至Q_D位点的Glu64，后者接受电子使MK还原，此电子传递过程需要跨膜质子梯度的驱动。分子动力学模拟（MD）显示，MK4和MK8在Q_D的结合自由能均低于Q_P，而MK8 较长的疏水尾巴增强与醌结合位点的亲和力。CaSDH两个醌位点的构象和亲和力差异，使其能够适应不同生理条件下细胞膜电位的变化（图2）。

图2 CaSDH的醌结合口袋、结合自由能与电子传递路径。

综上所述，本研究揭示了MK依赖型SQR新的醌结合位点和电子传递路径。CaSDH的结构与MK 依赖的细菌和古菌所含有的双血红素SQR/QFR相似，包括人类病原菌幽门螺杆菌和空肠弯曲菌等，其复合物均由2个亲水亚基和1个含双b型血红素的跨膜亚基组成。因此，该工作不仅加深了对MK依赖的SQR/QFR中氧化还原反应和电子传递机制的理解，也为基于结构的抑制剂设计和新型抗菌药物的研发提供了结构基础。

（四）作者简介

第一作者：张鑫（2022级生物学博士，现为温州医科大学讲师，前排左四），吴婧怡（2023级生物学博士生，二排右二）

参与作者：2022 级博士生洪鑫（前排左一），硕士生王佳茂（二排右三）、裴鑫楷（二排左一）、于园仪（二排左二）

通讯作者：徐晓玲

徐晓玲，教授，博士生导师，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，探索其在人工光合细胞、绿色化工和医药等领域的应用（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及其延续项目等，现任Communications Biology（Springer Nature旗下期刊）编委。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65828-3