时隔多年 同一研究组Nature延续性报道重要成果

2006年，针对线粒体膜上呼吸链复合物：Complex I，科学家们取得了初步的成果——英国医学研究理事会的研究人员确定了Complex I的主要结构，2010年，这一研究组终于确定了这种复合物的具体结构，相关成果入选了当年的生命科学顶级论文。时隔三年，这一研究组再次发表文章，报道了第一个完整Complex I晶体结构……

　　

生物通报道：2006年，针对线粒体膜上呼吸链复合物：Complex I，科学家们取得了初步的成果——英国医学研究理事会的研究人员确定了Complex I的主要结构，2010年，这一研究组终于确定了这种复合物的具体结构，相关成果公布在Nature封面上，也入选了当年的生命科学顶级论文。时隔三年，这一研究组再次发表文章：Crystal structure of the entire respiratory complex I，报道了第一个完整Complex I晶体结构，这不仅是这一研究领域又一重要突破，也体现了这一研究组科研延续性和开创性。

线粒体是细胞内的生物发电站，其中呼吸链复合物I（Complex I）的结构与衰老过程等许多生物学过程相关。之前的研究表明，Complex I的各组成部分精密地排列着，以便最大限度地转移电子，使电子尽可能少地遗漏到周围环境中。如果漏掉的电子多，就会产生更多的氧基，损害DNA，从而加速人体老化。此外Complex I的DNA变异也与诸如帕金森症等的肌肉和神经退行性疾病有关。

2010年，Leonid A. Sazanov领导的研究组首次报道了两种细菌的完整Complex I结构（The architecture of respiratory complex I），由此解析了呼吸链耦合的重要机制——两个主要区域界面上发生的构形变化，会驱动一个长α螺旋发生一种活塞式运动，使附近跨膜螺旋倾斜，导致质子转位。

在此基础上，研究组成员不仅获得了大肠杆菌膜区域晶体结构（分辨率3.0 Å），而又进一步获得了来自嗜热菌的Complex I完整结晶结构（分辨率3.3 Å），由此终于能完整有序的分析这一已知最大膜蛋白的蛋白结构和作用机制了。

通过分析晶体结构，研究人员发现这一复合物为536kDa，包括16个不同的亚基，总共有64个跨膜螺旋和9个铁硫簇。令研究人员出乎意料的是，其中亚基Nqo8（人体内称为ND1）与逆向转运蛋白样亚基的半通道很相似，并且附近的小亚基还形成了一种连接第二半通道（second half-channel），从而构建成了第四个质子的易位通路。

此外，研究人员还发现醌结合位点尤其长，狭窄，并且是封闭的，其头部结合在这一小室的深处，靠近铁硫簇N2。值得注意的是，这个小室通过一种带点残基“漏斗”，与第四通道相连，并作为一种灵活的带电和极性残基组中心轴，贯穿了整个膜结构域。研究人员认为这很可能在构象变化传播过程中扮演重要的角色。

这些结构信息表明，Complex I具有一种独特的膜外醌反应室，能通过氧化还原能量驱动四个逆向转运蛋白样结构域的统一长范围构象变化，从而在每个循环中实现四个质子的易位。

（Complex I结构，图片来自Nature）

原文摘要：

Crystal structure of the entire respiratory complex I

Complex I is the first and largest enzyme of the respiratory chain and has a central role in cellular energy production through the coupling of NADH:ubiquinone electron transfer to proton translocation. It is also implicated in many common human neurodegenerative diseases. Here, we report the first crystal structure of the entire, intact complex I (from Thermus thermophilus) at 3.3 Å resolution. The structure of the 536-kDa complex comprises 16 different subunits, with a total of 64 transmembrane helices and 9 iron–sulphur clusters. The core fold of subunit Nqo8 (ND1 in humans) is, unexpectedly, similar to a half-channel of the antiporter-like subunits. Small subunits nearby form a linked second half-channel, which completes the fourth proton-translocation pathway (present in addition to the channels in three antiporter-like subunits). The quinone-binding site is unusually long, narrow and enclosed. The quinone headgroup binds at the deep end of this chamber, near iron–sulphur cluster N2. Notably, the chamber is linked to the fourth channel by a ‘funnel’ of charged residues. The link continues over the entire membrane domain as a flexible central axis of charged and polar residues, and probably has a leading role in the propagation of conformational changes, aided by coupling elements. The structure suggests that a unique, out-of-the-membrane quinone-reaction chamber enables the redox energy to drive concerted long-range conformational changes in the four antiporter-like domains, resulting in translocation of four protons per cycle.