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■责编 许 茜 2019年 11月 27日 星期三

揭开呼吸链超级复合物的“庐山真面目”——“2018年北京市科学技术奖”获奖项目巡礼

本报记者 杨 纯

杨茂君教授很满意自己的微信头像，作

为清华大学生命科学学院教授，做线粒体呼

吸链研究十余年，他把一张满是中国元素“飞

龙”的图片做成头像，图画中奔腾的“二龙”：

一条是年画中威武的“中国龙”，另一条“龙”

由呼吸链中蛋白质机器的三维图“幻化”而成

（左图）。

在接受科技日报记者采访时，杨茂君表

示，这张图是发表在国际顶级期刊《细胞》杂

志网站首页的照片，它代表着所在团队在生

命科学领域取得的一项突破性成果。

呼吸，是生命的体征和原动力，人无时无

刻不在呼吸，呼吸作用主要由位于线粒体内

膜上的呼吸链超级复合物完成，对线粒体呼

吸链的研究一直都是生命科学领域的热点之

一。1978年 Peter D.Mitchell因提出线粒体呼

吸链的化学渗透假说，1997 年 John E.Walker

因阐明三磷酸腺苷（ATP）合成酶的三维结构

获得诺贝尔化学奖；日前，William G.Kaelin

等科学家因发现了氧气感知通路（生命体对

缺氧和富氧做出不同反应的分子机制）获得

了 2019年诺贝尔生理学或医学奖。

早在 2008 年刚回国组建实验室时，杨茂

君教授就认定了线粒体呼吸链这个研究方

向。当时，处于呼吸链上游的超级复合物的

结构及功能的研究，在我国还相对比较落后，

面对这块难啃的“骨头”，他偶尔也会感叹“前

路漫漫”。

经过十年如一日的潜心研究，杨茂君团

队在这条探索之路上终于取得了一系列成

果：攻克了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合

物的原子分辨率结构这一难题；首次从体外

培养的人源细胞中分离、纯化出高纯度的呼

吸链蛋白复合物，并且首次发现并解析了人

源超超级复合物 I2III2IV2 的高分辨率三维结

构。相关研究成果“线粒体呼吸链蛋白的结

构与功能研究”获得了 2018 年度北京市科学

技术奖二等奖。

什么是呼吸链呢？

线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场

所，是细胞的“动力车间”，细胞生命活动所需

的能量，大约 95%来自线粒体。线粒体里面有

一层褶皱很多的内膜，内膜上有生产能量的

“机器”——蛋白质，这些蛋白质在内膜上完

成氧气、电子、质子等物质的“搬运”“安装”等

工作，这条产生能量的“流水线”被称为呼吸

链。杨茂君教授团队所做的，正是将这些“机

器”的“配件”一点点拆解开来，并为其画出精

细的结构。

想要研究呼吸链超级复合物的功能，首

先要能够看清它的“模样”。前人的研究表

明，呼吸作用由位于线粒体内膜上的 4种呼吸

链蛋白复合物分步完成。这四种蛋白复合物

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）和复合物 IV（细胞色素 c氧化酶）。

“复合物并不是单独存在，而是以不同的

形式组合形成超级复合物，由于目前很多复

杂的大分子物质难以获得晶体，X 射线晶体

学成像便无法获得其高分辨率结构，因此需

要借助最新科技成果——冷冻电镜技术来帮

忙。”杨茂君教授说道，“通过筛选、添加大量

活性小分子化合物，我们开发并优化了蛋白

纯化新方法，最终获得了结构稳定、均一性

好、纯度较高的猪源线粒体超级复合物，借助

单颗粒冷冻电镜技术，解析了超级复合物的

结构，整体分辨率达到 3.6 到 4.0 埃，可以观测

到蛋白质亚基之间复杂而细致的相互作用，

并利用此方法获得了人源呼吸链超超级复合

物（I2III2IV2，由 2 个复合物 I、1 个复合物 III 的

二聚体、2 个复合物 IV 和 2 个细胞色素 c 蛋白

组成）的高分辨率三维结构。”这是当时世界

上所解析的最大、也是最复杂的膜蛋白超级

复合物结构，为人类深入理解哺乳动物呼吸

链复合物的组织形式、分子机理以及治疗细

胞呼吸相关的疾病提供了重要的结构基础。

相关研究成果已发表在国际顶级期刊《自然》

《细胞》上。

基于获得的高分辨率结构，杨茂君教授

提出了全新的电子传递机制，新提出的电子

传递模型考虑到了超级复合物的存在形式，

整个过程中不会产生超氧自由基，并且具有

更高的电子传递效率，从能量转换的角度来

说对能量的利用更加高效，从结构上考虑也

更加合理。目前，这一理论还处于假设阶

段，需要后续更加精细的生物化学实验对其

加以验证。

如何利用解析出的蛋白质结构研发靶

向药物，治疗呼吸链异常引起的疾病，让科

学研究为人类的健康服务也是目前研究的

重点。杨茂君教授告诉记者：“由于 II 型复

合物 I 只存在于低等生物中，所以它被认为

是一种很好的对抗病原体的特异性靶标分

子。例如，疟疾是受到全球关注的重要公共

卫生问题之一，通过筛选，科学家发现存在

两种化合物可以与靶蛋白共结晶，而且对细

胞毒性较低。其与青蒿素有协同抗疟疾作

用，因此具有与青蒿素联合用药发展新的疟

疾治疗方法的潜能。该工作为抗疟疾药物

研发提供了重要信息，依据该信息的抗疟疾

药物也正在研发之中。”

首次解析呼吸链超超级复合物高分辨率结构

认真观察、大胆假设、小心求证是获得原

创性突破成果的“三大法宝”。论文发表后，

杨茂君教授时常端详这组复合物，复合物 I、

III、IV像乐高玩具的组件一样被拼插在一起。

“我发现这里空着。”杨茂君教授一边指

一边对记者说，复合物 III 伸出一只“手臂”，

“经过亿万年的进化，生物体不可能让另一边

这样浪费着，肯定还有没被发现的结构”。

杨茂君教授富有创意地用“中国龙”图案

来代替未被揭秘的对称面，这正是发表在《细

胞》上的论文配图的由来。

杨茂君教授相信这一研究可以更进一

步，但是线索在哪儿？

“对称才是美的，伸出的这边很可能结合着

其他的复合物。”杨茂君教授决定重新纯化复合

物IV，“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IV形成二聚体的

界面上出现一团‘不明物体’。通过建立模型，

进行匹配，发现那团‘不明物体’是亚基NDU-

FA4。在以往纯化复合物IV时，亚基NDUFA4

由于超强去垢剂的加入而无法稳定结合。”

至此，复合物IV的谜底终于被揭开。“正确

的蛋白质结构，能够让我们更加清晰地了解电

子传递的路径。在复合物IV的反应中心，氧气

生成了水，同时另一部分质子（H+）被直接泵入

线粒体膜间隙中留作他用。”杨茂君说，“在漫

长的研究过程中，我们每天面对的不是成功的

喜悦，而是各种失败，但正是在失败的基础上

逐渐发现真相的过程，才最让人兴奋。”

科学研究要不唯书、不唯上、只唯实

对线粒体呼吸作用的研究不仅具有重要

的科学意义，而且有助于攻克多种严重的综

合性疾病。

“人类线粒体呼吸链系统异常会导致多种

疾病，例如，阿尔茨海默综合征、帕金森综合

征、多发性硬化等，我们的研究成果为这些疾

病提供了一种治疗的可能性，希望我们的研究

最终能够被转化成治病救人的药物。”杨茂君

教授对记者说道，越深入地了解蛋白质的精细

结构，越能够参透生命体的运转。“通过研究，

我们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疾病，以达到治疗效果。”

研究团队目前正在对已经上市的 1400多

种药物进行分析，发现有 56 种药物的作用靶

点在呼吸链上。

“例如，呋塞米能促进细胞呼吸，提高氧

气利用效率，是目前最有效的抗高原反应药

物，其作用靶点正是在呼吸链上。病人在服

用有些药物后会产生心悸、无力等副作用，这

些发现可以帮助科学家改进药物，以消减其

副作用。”杨茂君教授表示。

在杨茂君教授内心深处，有一个终极梦

想：通过科学研究，实现人体温度的调控，以

延长人的寿命。“假如某人患上医学领域某种

目前还不能被治愈的疾病，可以选择把他的

体温降下来，维持基础代谢，让他进入睡眠状

态。过 20 年，这个病能治了，再让他苏醒，接

受更好的治疗。”他对记者说道。

之所以有这样的终极梦想，杨茂君教授

表示，并不是天马行空，人体体温热量主要来

源于线粒体，实现这个梦想的突破口就在线

粒体的研究上。

呼吸是机体最基本的生命活动，最为平

常却又十分神秘，揭开呼吸链超级复合物的

“庐山真面目”，探索自身生命活动的规律，是

人类医药健康发展历史上一个永恒的话题。

科学家要为人类健康和未来发展思考

20082008年年 66月月 66日日

实验室成立于清华大学生命学院，实验室成立初期主要的研究手段是X射线晶体学。从一开始杨茂君教授就将对于线粒体呼吸链的研究作为实验室的主攻方向之一，着力于从对呼吸链蛋白复合物的修饰角度来开发治疗疟疾的药物。

20122012年年

实验室在国际顶级期刊《自然》杂志上发表了成立以来的第一篇高水平学术论文，首次解析了酵母中II型NADH脱氢酶的高分辨率结构并验证了其中的电子传递机制。

20152015年年

实验室通过与清华大学相关实验室的合作，成功使用冷冻电镜方法解析了首个机械力敏感离子通道蛋白复合物（Piezol1）的结构，标志着实验室转型成功，掌握了冷冻电镜技术。相关成果发表在国际顶级期刊《自然》杂志上。

20162016年年

实验室在掌握了冷冻电镜技术之后，结合以往蛋白质纯化的经验，很快就获得了呼吸链超级复合物的高质量冷冻样品，并解析了国际上首个完整的哺乳动物（猪源）呼吸链超级复合物的高分辨率三维结构，相关研究成果于 2016年发表在国际顶级期刊《自然》和《细胞》杂志上。

20172017年年

在解析了猪源超级复合物的结构之后，实验室又致力于攻克人源呼吸链超级复合物的三维结构，这对于治疗线粒体相关的代谢疾病具有非常重要的作用。同时，实验室还验证了超超级复合物的概念，首次获得了这一最高组织形式的呼吸链复合物的三维结构。相关的研究成果发表在国际顶级期刊《细胞》杂志上。

20192019年年

随着呼吸链蛋白复合物纯化手段的愈加成熟，实验室又成功制备了ATP合成酶的冷冻样品。与以往的ATP合成酶不同，得到的是处于抑制状态下的ATP合成酶四聚体。这是首次捕获各单体之间相互抑制状态下的ATP合成酶，对于理解体内合成ATP的调节机制具有非常重要的作用。相关的研究成果发表在国际顶级期刊《科学》杂志上。

杨茂君实验室全体成员合影

猪源超级复合物的高分辨率结构（局部）

（本版图片由受访者提供）

疟原虫Ndh2二聚体的高分辨率三维结构（局部）

人源呼吸链超超级复合物的结构模型（局部）

从基质侧观察的ATP合成酶四聚体的结构（局部）

猪源呼吸链超级复合物中等分辨率三维结构（局部）

杨茂君团队发表在《细胞》杂志网站的照片