5月26日，貢紅日研究員、饒子和院士聯合上海科技大學、廣州實驗室、昆士蘭大學等多個單位在國際頂級學術期刊《Cell》經典子刊《Molecular Cell》在線發表題為「Structure of the human ATP synthase」的研究論文，在國際上率先報導了人源ATP合成酶四種構象的高解析度電鏡結構，為其功能機制及相關疾病的理解和靶向藥物的開發奠定了重要基礎。
細胞呼吸是生物體重要的代謝活動，為生命活動提供了直接的能量物質三磷酸腺苷（ATP），其中線粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）系統是處於細胞代謝的中樞位置，包括五個酶複合物（線粒體呼吸鏈複合物Ⅰ-IV和ATP合成酶）和兩個移動的電子載體（細胞色素c和泛醌）。複合物Ⅰ和複合物Ⅱ分別氧化NADH和琥珀酸，同時將電子傳遞給泛醌形成氫醌；氫醌被複合物Ⅲ氧化生成泛醌，同時將電子傳遞給細胞色素c，最後電子傳遞給結合在複合物Ⅳ中的氧氣分子並還原生成水分子。電子在呼吸鏈傳遞過程中，伴隨複合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ將質子從線粒體基質轉移到線粒體膜間隙，產生的跨膜質子梯度驅動ATP合酶（亦稱為複合物Ⅴ）生成ATP。氧化磷酸化系統損傷包括其組分發生突變會引起一系列生理功能紊亂和代謝相關的疾病。研究線粒體氧化磷酸化系統膜蛋白複合物組成、組裝、結構，對於理解呼吸鏈電子傳遞機制、氧化還原偶聯質子跨膜梯度形成機制、氧化磷酸化系統功能異常與機體疾病間聯繫、藥物開發等都具有重要意義。
ATP合成酶也被稱為F1Fo-ATP合成酶、F型ATP合成酶、旋轉分子馬達等。作為氧化磷酸化系統反應的最後一步，它利用電子傳遞鏈氧化還原反應過程中產生的質子動力勢能（proton motive force, PMF）成為了細胞提供了最主要的ATP來源。ATP合成酶的反應機制多年來一直是學術界研究的熱點：Peter Mitchell憑藉化學滲透假說獨得1978年諾貝爾化學獎；Paul D. Boyer和John Walker因闡明ATP合成酶的催化機制而獲得1997年諾貝爾化學獎。然而，在幾十年的研究歲月中，受到材料獲取、純化條件等因素的限制，人源線粒體ATP合成酶的結構至今仍未被解析，這限制了對其功能的進一步理解和利用。在該研究中，研究人員通過大量摸索人源ATP合成酶提取純化條件最終獲取了均一、穩定、有活性的人源ATP合成酶。接著，研究人員利用冷凍電鏡技術解析了人源ATP合成酶的四種構象的高分辨結構，從而進一步推進了對ATP合成酶結構和功能的認識。ATP合成酶類似於旋轉分子馬達，由「定子」和「轉子」組成，其中「轉子」部分包含γεδc亞基。在PMF的推動下，c亞基旋轉並帶動γεδ亞基一起轉動，伴隨αβ亞基構象改變進而催化ATP的生成。在某些情況下，ATP合成酶也可以水解ATP，此時c亞基將反向旋轉，發揮離子泵功能，將質子運輸到膜外。
人源ATP合成酶的三維結構
該研究解析了人源ATP四種旋轉構象結構，除了傳統的三種構象外，還發現了亞中間狀態state 3b。在四種旋轉狀態中，β亞基表現出顯著的構象變化，通過結構信息推測ATP水解過程中ADP釋放發生在β亞基轉化為開放構象之後，這一發現進一步推進了對ATP合成酶合成/水解ATP過程中旋轉催化機制的認識。
人源ATP合成酶的四種構象頂視圖
得益於高解析度，ATP合成酶質子進出通道的水分子密度清晰可見，進一步夯實完善了ATP合成酶運轉過程中質子進出的分子機制。此外，研究人員同時分析了相關臨床突變致病的分子作用機制，發現報導的突變體多出現在亞基之間的接觸面上，影響了複合物結構的穩定性，為疾病的理解和治療提供了新的見解。
人源ATP合成酶相關的臨床突變位點分析
值得一提的是，ATP合成酶作為ATP的主要能量來源，在原核生物和真核生物中都發揮著不可替代的作用，是熱門的藥物開發靶點。以人類結核病為例，靶向結核分枝桿菌ATP合成酶的藥物貝達喹啉（bedaquiline，BDQ）是四十年來FDA批准的第一個抗結核新藥，也是當前世界衛生組織推薦的治療耐多藥結核病長程治療的首選方案，已在全球120多個國家推廣使用。此外，研究發現一些癌症和癌細胞亞群依賴於線粒體氧化磷酸化來滿足生物能量和生物合成需求。最新研究也已證實，糖基化大環內酯類藥物可以通過靶向抑制ATP合成酶用於白血病的治療。因而，人源ATP合成酶結構的解析將為開發靶向性更好、副作用更低的抗感染藥物以及抗腫瘤藥物奠定基礎。
南開大學博士研究生賴越崢、張玉瑩、周珊、徐金旭、杜占強為本文的共同第一作者。南開大學生命科學學院貢紅日研究員、饒子和院士、上海科技大學免疫化學研究所高岩副研究員、廣州實驗室劉鳳江副研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金委優秀青年科學基金的資助。廣州實驗室影像成像子平台和上海科技大學生物電鏡平台提供了重要的技術支持。
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來源：南開大學新聞中心
記者：喬仁銘
編輯：李然
審核：李娜 郭威