大鼠elisa檢測(cè)試劑盒際期刊《細(xì)胞》（Cell）雜志在線(xiàn)發(fā)表《人源線(xiàn)粒體呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物 I2III2IV2 的結(jié)構(gòu)》（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(jí)的組織形式——超超級(jí)復(fù)合物（MCI2III2IV2）中高分辨率三維結(jié)構(gòu), 以及超級(jí)復(fù)合物（SCI1III2IV1）的原子分辨率結(jié)構(gòu)（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(xì)胞》雜志發(fā)表研究長(zhǎng)文，詳細(xì)闡釋了豬源呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物 I1III2IV1（呼吸體）的原子分辨率三維結(jié)構(gòu)之后的又一項(xiàng)重大突破。在此次發(fā)表的文章中，楊茂君研究組獲得了來(lái)源于人類(lèi)細(xì)胞的呼吸鏈蛋白復(fù)合物樣品，并且運(yùn)用冷凍電鏡三維重構(gòu)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(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，證明了線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)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(jí)線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物組織形式的存在提供了直接的證據(jù)，是該研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大研究突破。
呼吸作用是生物體內(nèi)基礎(chǔ)的能量代謝活動(dòng)之一，是由位于線(xiàn)粒體內(nèi)膜上的四種呼吸鏈蛋白復(fù)合物分步完成的，這四種蛋白復(fù)合物分別為復(fù)合物 I（NADH 脫氫酶）、復(fù)合物 II（琥珀酸脫氫酶）、復(fù)合物 III（細(xì)胞色素 c 還原酶）和復(fù)合物 IV（細(xì)胞色素 c 氧化酶）。以這些復(fù)合物為基礎(chǔ)，可以聚合形成多層次的呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物乃至超超級(jí)復(fù)合物，獲得更高的穩(wěn)定性和更高的能量轉(zhuǎn)換效率。一百多年來(lái)，對(duì)線(xiàn)粒體呼吸鏈的研究一直都是生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。彼得•米切爾（Peter D. Mitchell）曾于 1978 年因提出線(xiàn)粒體呼吸鏈的化學(xué)滲透假說(shuō)而獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1997 年英國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)家約翰•沃克（John E. Walker）因?qū)€(xiàn)粒體復(fù)合物 V（ATP 合成酶）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
楊茂君研究組長(zhǎng)期致力于線(xiàn)粒體呼吸鏈蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究，此前曾于 2012 年在《自然》雜志報(bào)道了 II- 型線(xiàn)粒體呼吸鏈復(fù)合物 I（NDH2）的結(jié)構(gòu)，揭示了其調(diào)控及電子傳遞機(jī)制，為設(shè)計(jì)針對(duì) NDH2 為靶點(diǎn)的藥物奠定了良好的基礎(chǔ)。2017 年楊茂君研究組又分別在《PCCP》、《JMC》等雜志連續(xù)報(bào)道了 NDH2 的詳細(xì)電子傳遞機(jī)制，同時(shí)開(kāi)發(fā)了以瘧原蟲(chóng) NDH2 為靶標(biāo)的針對(duì)耐藥性瘧原蟲(chóng)的新型抗瘧疾藥物前體分子，為開(kāi)發(fā)新的治療瘧疾的藥物打下了良好的基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多年的努力，楊茂君研究組于 2016 年終于攻克了哺乳動(dòng)物線(xiàn)粒體呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的原子分辨率結(jié)構(gòu)這一性難題。該復(fù)合物是由一個(gè)復(fù)合物 I，兩個(gè)復(fù)合物 III 和一個(gè)復(fù)合物 IV 構(gòu)成。是包括 44 個(gè)膜蛋白在內(nèi)的 81 個(gè)蛋白亞基（69 種不同蛋白分子）所構(gòu)成的超大分子機(jī)器。該系列研究揭示了復(fù)合物 I 各亞基之間細(xì)致的相互作用，鑒定出了各復(fù)合物蛋白亞基之間及復(fù)合物之間的結(jié)合方式，發(fā)現(xiàn)了磷脂分子在呼吸體結(jié)構(gòu)中發(fā)揮的重要作用。值得一提的是，楊茂君依據(jù)結(jié)構(gòu)信息提出了全新的線(xiàn)粒體呼吸鏈之間電子傳遞與質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)的模型。該模型與目前占統(tǒng)治地位的、1975 年由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者彼得•米切爾提出的 Q - 循環(huán)（Q-Cycle）假說(shuō)*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(xì)胞中分離、純化出高純度的呼吸鏈蛋白復(fù)合物，解析了呼吸鏈超級(jí)和超超級(jí)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，從而次直接證明了高于呼吸體的呼吸鏈超超級(jí)蛋白復(fù)合物的組織形式的存在。該研究是一百多年以來(lái)人類(lèi)針對(duì)線(xiàn)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(fù)合物結(jié)構(gòu)。 在該論文中，楊茂君研究組闡述了人源線(xiàn)粒體復(fù)合物 I （3.4-3.7Å）， 復(fù)合物 III（3.4 Å），復(fù)合物 IV（5.2 Å），超級(jí)復(fù)合物 I1III2IV1（3.9 Å）和超超級(jí)復(fù)合物 I2III2IV2（17.2 Å）的結(jié)構(gòu)（圖 1）。 此外，文章中重點(diǎn)報(bào)道了呼吸鏈超超級(jí)復(fù)合物近乎中心對(duì)稱(chēng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)。有趣的是，在二聚的復(fù)合物 III 線(xiàn)粒體膜間隙一側(cè)觀測(cè)到了兩個(gè)處于結(jié)合狀態(tài)的細(xì)胞色素 c 蛋白亞基，該結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有力地證明了環(huán)形結(jié)構(gòu)中心的兩個(gè)復(fù)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(fù)合物 III 半失活理論。此結(jié)果進(jìn)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(zhǎng)久以來(lái)占領(lǐng)學(xué)界的 Q 循環(huán)（Q-Cycle）模型。此外，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法，楊茂君研究組還將復(fù)合物 II 的結(jié)構(gòu)嵌入進(jìn)呼吸鏈超級(jí)復(fù)合物的模型之中，由此可以推論在線(xiàn)粒體呼吸鏈中四個(gè)電子傳遞鏈蛋白將組合成一個(gè)更大的超超級(jí)復(fù)合物來(lái)更的發(fā)揮功能，從而將全部四個(gè)呼吸鏈復(fù)合物在結(jié)構(gòu)水平統(tǒng)一到了一起，巧妙的預(yù)測(cè)了呼吸鏈復(fù)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(lèi)線(xiàn)粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常會(huì)導(dǎo)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(jì)失調(diào)以及肌性脊髓側(cè)索硬化癥等多種疾病。由于人源線(xiàn)粒體呼吸鏈蛋白復(fù)合物的純化條件極為苛刻、難度系數(shù)大，所以針對(duì)這些蛋白的藥物篩選一直都很難開(kāi)展。楊茂君研究組建立的一系列蛋白純化方法和技術(shù)為今后的藥物研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)的解析不僅闡明了這些蛋白的作用方式及反應(yīng)機(jī)理，也為人類(lèi)攻克線(xiàn)粒體呼吸鏈系統(tǒng)異常所導(dǎo)致的疾病提供了一個(gè)良好的開(kāi)端。