大鼠elisa檢測試劑盒際期刊《細胞》（Cell）雜志在線發(fā)表《人源線粒體呼吸鏈超超級復合物 I2III2IV2 的結構》（Architecture of Human Mitochondrial Respiratory Megacomplex I2III2IV2）, 突破性地解析了目前所知的人源呼吸鏈蛋白質(zhì)級的組織形式——超超級復合物（MCI2III2IV2）中高分辨率三維結構, 以及超級復合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率結構（圖 1）。這是繼 2016 年 9 月和 12 月，楊茂君研究組分別在《自然》（Nature）雜志和《細胞》雜志發(fā)表研究長文，詳細闡釋了豬源呼吸鏈超級復合物 I1III2IV1（呼吸體）的原子分辨率三維結構之后的又一項重大突破。在此次發(fā)表的文章中，楊茂君研究組獲得了來源于人類細胞的呼吸鏈蛋白復合物樣品，并且運用冷凍電鏡三維重構的方法成功解析了比呼吸體更高聚集形式的呼吸鏈超超級復合物的三維結構，證明了線粒體呼吸鏈復合物存在更的組成形式，為此前一直處于各種猜想階段的級線粒體呼吸鏈復合物組織形式的存在提供了直接的證據(jù)，是該研究領域的一項重大研究突破。
呼吸作用是生物體內(nèi)基礎的能量代謝活動之一，是由位于線粒體內(nèi)膜上的四種呼吸鏈蛋白復合物分步完成的，這四種蛋白復合物分別為復合物 I（NADH 脫氫酶）、復合物 II（琥珀酸脫氫酶）、復合物 III（細胞色素 c 還原酶）和復合物 IV（細胞色素 c 氧化酶）。以這些復合物為基礎，可以聚合形成多層次的呼吸鏈超級復合物乃至超超級復合物，獲得更高的穩(wěn)定性和更高的能量轉換效率。一百多年來，對線粒體呼吸鏈的研究一直都是生命科學領域的熱點之一。彼得•米切爾（Peter D. Mitchell）曾于 1978 年因提出線粒體呼吸鏈的化學滲透假說而獲得了諾貝爾化學獎；1997 年英國結構生物學家約翰•沃克（John E. Walker）因對線粒體復合物 V（ATP 合成酶）的結構生物學研究而獲得諾貝爾化學獎。
楊茂君研究組長期致力于線粒體呼吸鏈蛋白的結構與功能研究，此前曾于 2012 年在《自然》雜志報道了 II- 型線粒體呼吸鏈復合物 I（NDH2）的結構，揭示了其調(diào)控及電子傳遞機制，為設計針對 NDH2 為靶點的藥物奠定了良好的基礎。2017 年楊茂君研究組又分別在《PCCP》、《JMC》等雜志連續(xù)報道了 NDH2 的詳細電子傳遞機制，同時開發(fā)了以瘧原蟲 NDH2 為靶標的針對耐藥性瘧原蟲的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開發(fā)新的治療瘧疾的藥物打下了良好的基礎。經(jīng)過多年的努力，楊茂君研究組于 2016 年終于攻克了哺乳動物線粒體呼吸鏈超級復合物的原子分辨率結構這一性難題。該復合物是由一個復合物 I，兩個復合物 III 和一個復合物 IV 構成。是包括 44 個膜蛋白在內(nèi)的 81 個蛋白亞基（69 種不同蛋白分子）所構成的超大分子機器。該系列研究揭示了復合物 I 各亞基之間細致的相互作用，鑒定出了各復合物蛋白亞基之間及復合物之間的結合方式，發(fā)現(xiàn)了磷脂分子在呼吸體結構中發(fā)揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君依據(jù)結構信息提出了全新的線粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質(zhì)子轉運的模型。該模型與目前占統(tǒng)治地位的、1975 年由諾貝爾獎獲得者彼得•米切爾提出的 Q - 循環(huán)（Q-Cycle）假說*不同。
在此次發(fā)表的論文中，楊茂君研究組在世界范圍內(nèi)從體外培養(yǎng)的人源細胞中分離、純化出高純度的呼吸鏈蛋白復合物，解析了呼吸鏈超級和超超級復合物的三維結構，從而次直接證明了高于呼吸體的呼吸鏈超超級蛋白復合物的組織形式的存在。該研究是一百多年以來人類針對線粒體呼吸鏈蛋白研究中在世界范圍內(nèi)獲得的人源蛋白質(zhì)復合物結構。 在該論文中，楊茂君研究組闡述了人源線粒體復合物 I （3.4-3.7Å）， 復合物 III（3.4 Å），復合物 IV（5.2 Å），超級復合物 I1III2IV1（3.9 Å）和超超級復合物 I2III2IV2（17.2 Å）的結構（圖 1）。 此外，文章中重點報道了呼吸鏈超超級復合物近乎中心對稱的環(huán)形結構。有趣的是，在二聚的復合物 III 線粒體膜間隙一側觀測到了兩個處于結合狀態(tài)的細胞色素 c 蛋白亞基，該結構細節(jié)有力地證明了環(huán)形結構中心的兩個復合物 III 的單體都是有活性的，否定了之前其他研究組提出的復合物 III 半失活理論。此結果進一步支持了楊茂君之前提出的全新的電子傳遞模型，而非長久以來占領學界的 Q 循環(huán)（Q-Cycle）模型。此外，通過計算機模擬的方法，楊茂君研究組還將復合物 II 的結構嵌入進呼吸鏈超級復合物的模型之中，由此可以推論在線粒體呼吸鏈中四個電子傳遞鏈蛋白將組合成一個更大的超超級復合物來更的發(fā)揮功能，從而將全部四個呼吸鏈復合物在結構水平統(tǒng)一到了一起，巧妙的預測了呼吸鏈復合物全新的完整聚合形式，為之后的研究提供了一條新的思路。人類線粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常會導致如阿茲海默綜合癥、帕金森綜合癥、多發(fā)性硬化、少年脊髓型共濟失調(diào)以及肌性脊髓側索硬化癥等多種疾病。由于人源線粒體呼吸鏈蛋白復合物的純化條件極為苛刻、難度系數(shù)大，所以針對這些蛋白的藥物篩選一直都很難開展。楊茂君研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術為今后的藥物研發(fā)打下了良好的基礎，其結構的解析不僅闡明了這些蛋白的作用方式及反應機理，也為人類攻克線粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常所導致的疾病提供了一個良好的開端。