## 发表论文 「Structures of respiratory supercomplexes and ATP synthase oligomers in mammalian mitochondrial inner membrane」 （哺乳类粒线体内膜中呼吸链超复合体及ATP合成酶寡聚体之结构解析） ## 摘要 在本研究中，我们使用了从牛心粒线体制备的亚粒线体颗粒，并通过冷冻电子显微镜的单粒子分析，在不破坏膜的原生状态（Native state）下，成功对粒线体内膜蛋白进行了结构分析。 结果首次明确显示，ATP合成酶（FoF1）以被IF1蛋白质连接的二聚体形式存在，且这些二聚体进一步缔合而成的四聚体结构确实存在于粒线体内膜中。此四聚体会使膜产生强烈弯曲，被认为在粒线体嵴的形成中扮演着重要角色。此外，对于ATP合成酶旋转环中心存在稳定脂质的传统假说，并未获得支持。在呼吸链超分子复合体方面，除了过去已知的构成外，还鉴定出CI1CIII2CIV3这种新构成，以及由CI2CIII2CIV6组成的巨大巨型复合体的存在，揭示了呼吸链复合体以多样的组合存在于膜中。 本项成果证明了从少量样本中，能在原生状态下直接对粒线体膜蛋白进行结构分析的新方法之有效性，并有望应用于疾病相关粒线体研究、使用患者活检样本的结构分析，进而引领膜蛋白结构研究的典范转移。 ## 背景 粒线体是细胞内合成ATP（三磷酸腺苷）的「能量工厂」，同时也是生命活动不可或缺的胺基酸、脂质等物质的生产基地。在粒线体内膜上，高密度地存在着负责ATP合成的ATP合成酶（FoF1）以及负责电子传递的呼吸链复合体（复合体I～IV）。过去认为这些膜蛋白会聚集形成超分子复合体，以提升能量产生的效率。 然而，在迄今为止的许多结构研究中，都是使用界面活性剂将膜蛋白从膜中提取出来的样本，因此其在生物膜中的实际排列和聚集状态（原生结构）并未得到充分解明。 图1. 本次的方法能够获得生物膜上膜蛋白本来的结构，相对于此，经过传统界面活性剂纯化过程的方法，可能会失去膜蛋白本来的结构状态，或者产生人工的二聚体结构。 ## 研究成果 决定SMP上膜蛋白的原生结构（图1） 传统上，膜蛋白的结构决定是先用界面活性剂将生物膜可溶化，再通过层析等方法纯化所得到的膜蛋白。这种方法需要大量的样本和极大的劳力，且在可溶化和纯化的过程中，膜蛋白本来的缔合状态或与其他因子的交互作用可能会流失。 因此在本研究中，我们使用了从牛心粒线体制备的亚粒线体颗粒（SMP），并通过冷冻电子显微镜进行了单粒子分析。借由在保持膜结构的情况下进行分析，我们成功地在不破坏膜的原生状态下对粒线体内膜蛋白进行了结构分析。结果，我们得以决定ATP合成酶FoF1及呼吸链复合体的原生结构。 证明ATP合成酶高端结构的实质存在（图2） 我们确认了ATP合成酶（FoF1）以被称为IF1的棒状蛋白质连接的二聚体形式存在。此外，首次明确显示这些二聚体缔合而成的四聚体结构实际存在于粒线体内膜中。这种四聚体结构具有强烈弯曲膜的特征，被认为在粒线体内膜特有的褶皱结构——嵴的形成中扮演着重要角色。过去曾有人指出，由IF1连接的FoF1四聚体可能是纯化过程中产生的人工结构，但本研究证实了它是实际存在于生物体内的结构。我们也验证了脂质结合在ATP合成酶膜内转子部分（c环）中心的假说，但并未获得支持稳定脂质存在的结构证据。结果显示，过去被认为是脂质的结构，极有可能是纯化过程中进入环内的界面活性剂。