Science：新技术解开了四膜虫呼吸之谜

四膜虫，一种微小的单细胞生物，被发现隐藏着一个令人惊讶的秘密:它在进行呼吸——利用氧气产生细胞能量——不同于其他生物，如植物、动物或酵母。这一发现发表在3月31日的《科学》杂志上，强调了结构生物学新技术的力量，并揭示了我们对生命之树的一个主要分支的知识缺口。

　　

   

   

视频:混合样品低温电子显微镜获得的接近原子分辨率的四膜虫电子传递链蛋白质密度图。

资料来源:加州大学戴维斯分校莱茨实验室

四膜虫，一种微小的单细胞生物，被发现隐藏着一个令人惊讶的秘密:它在进行呼吸——利用氧气产生细胞能量，这不同于其他生物，如植物、动物或酵母。这一发现发表在3月31日的《科学》杂志上，强调了结构生物学新技术的力量，并揭示了我们对生命之树的一个主要分支的知识缺口。

加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)分子和细胞生物学系博士后研究员、论文的第一作者之一玛丽亚·马尔多纳多(Maria Maldonado)说，“我们以为通过研究其他生物，我们了解了呼吸，但这表明我们还有多少不知道。”

四膜虫是一种自由生活的单细胞生物，通常被发现在池塘周围安静地游动，通过拍打它们的毛或纤毛。和我们一样，它们也是真核生物，它们的遗传物质在细胞核中。它们属于一个庞大而多样的生物体群，称为SAR超级群。除了一些例外，如疟疾寄生虫疟原虫，SAR超群的研究很少。

马尔多纳多说:“这在生物圈中占了很大的比例，但我们并没有过多地考虑它们。”

加州大学戴维斯分校生物科学学院分子和细胞生物学助理教授James Letts说，四膜虫像其他所有真核生物和一些细菌一样，通过呼吸消耗氧气来产生能量。

氧气在呼吸过程中一系列化学反应的末尾进入。电子通过位于线粒体内膜的嵴结构中的蛋白质链。这促使氧原子和氢原子形成水，泵送质子穿过细胞膜，进而推动ATP的形成，ATP是细胞储存化学能的物质。这个电子传递链是人类和其他真核生物以氧为基础的呼吸的基础。

结构生物学的新方法

莱茨说，有一些线索表明，四膜虫的电子传递链有些不同。在20世纪70年代和80年代，科学家们发现其携带电子的蛋白质——细胞色素c——和位于链端氧化酶末端的耗氧酶——的功能不同于植物和动物。到目前为止，还不清楚这些酶在四膜虫中是如何或为什么不同，而它们在其他研究的真核生物中是保守的。

Maldonado, Letts和共同第一作者Long Zhou利用结构生物学的新方法揭示了四膜虫的电子传递链。其中包括低温电子显微镜结构蛋白质组学方法——同时计算出混合样本中大量蛋白质的结构。

低温电子显微镜将样品冷冻到极低的温度，产生几乎是原子分辨率的图像。该团队没有对单个纯化的蛋白质进行成像，而是使用从线粒体膜中分离出来的混合样本，然后教授一种识别相关结构的算法。

通过这种方式，他们能够扫描成千上万的蛋白质图像，并识别出三个大型装配中的277个蛋白质的结构，代表着四膜虫在接近原子分辨率下的电子传递链。其中一些蛋白质在已知的四膜虫基因组数据库中没有匹配的基因——这表明在可用的参考基因组中一定存在空白。

莱茨说，通过揭示我们对一种相当常见的生物的知识缺口，这项工作显示了我们在生物多样性方面的盲点。他说，这也显示了这些新方法在结构生物学中作为发现工具的潜力。

这项工作的一部分是在加州大学戴维斯分校生物科学学院的生物电子显微镜核心设施中使用低温电子显微镜进行的。这篇论文的另外两位作者是加州大学戴维斯分校的Abhilash Padavannil和Guo Fei。Long Zhou现就读于中国杭州浙江大学医学院。这项工作由美国国立卫生研究院支持。

文章标题

Structures of Tetrahymena’s respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism