2012年10 月21日，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君研究組在Nature在線發(fā)表了題為 Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases（線粒體II型NADH脫氫酶的結(jié)構(gòu)與功能）的科研論文,，首次報(bào)道了二型NADH-泛醌氧化還原酶Ndi1的晶體結(jié)構(gòu),，并對(duì)其生理功能和工作機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究。生命學(xué)院博士生馮越,、李文斐,、李堅(jiān)為本文的共同第一作者，楊茂君博士為本文的通訊作者,。
眾所周知,，位于線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈?zhǔn)巧矬w最重要的能量來源,。呼吸鏈,，又稱電子傳遞鏈，由復(fù)合物I-V組成,，是將代謝過程中產(chǎn)生的電子從NADH或FADH2向氧分子傳遞的系統(tǒng),，最終生成ATP為生物體提供能量。其中的復(fù)合物Ⅰ,，又稱NADH-泛醌氧化還原酶（NDH-1）,，是這些電子進(jìn)入電子傳遞鏈最重要的入口。在多種生物中,，復(fù)合物Ⅰ可以被一類稱為二型NADH氧化還原酶（NDH-2）的蛋白所取代,，這類蛋白以FAD為輔基催化電子從NADH傳遞給泛醌（UQ）。NDH-2在多種病原微生物中高度保守,，如結(jié)核桿菌,、瘧原蟲、剛地弓形蟲等,。由于在呼吸鏈中的重要地位，這類蛋白一直被認(rèn)為是一個(gè)重要的藥物靶點(diǎn),。同時(shí),，很多人類疾病尤其是帕金森氏病等神經(jīng)退行性疾病都與復(fù)合物Ⅰ的缺陷有關(guān)，而外源表達(dá)的Ndi1蛋白（釀酒酵母的一種NDH-2）可以在包括小鼠在內(nèi)的多種生物中取代缺陷的復(fù)合物I使機(jī)體恢復(fù)正常。此外該蛋白在果蠅中的表達(dá)可以大大延長(zhǎng)果蠅的壽命,。因此Ndi1也被認(rèn)為是一個(gè)潛在的基因治療靶點(diǎn),。
自1966年被首次發(fā)現(xiàn)以來，人們對(duì)NDH-2的生化特性和催化機(jī)制進(jìn)行了大量的研究,。但由于缺少這類蛋白的結(jié)構(gòu)信息,，現(xiàn)有的許多生化數(shù)據(jù)始終得不到很好的解釋，而且存在多處矛盾亟待解決,。楊茂君研究組經(jīng)過多年的不懈努力,，成功解析了Ndi1這一重要蛋白質(zhì)的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)及Ndi1與NADH、UQ以及NADH-UQ三種底物復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu),。有趣的是,，在所有晶體結(jié)構(gòu)中，Ndi1均以同源二聚體形式存在,，這與先前認(rèn)為其可能以單體形式發(fā)揮功能的猜測(cè)不同,。生物信息學(xué)和結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，Ndi1具有一個(gè)在NDH-2中高度保守的C端結(jié)構(gòu)域（CTD）,，該結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了Ndi1二聚體化,，進(jìn)而使其形成一個(gè)廣泛的疏水區(qū)域，這賦予了Ndi1附著在線粒體內(nèi)膜上的特性,。隨后的生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了以上的觀點(diǎn),。同時(shí)，三種Ndi1-底物復(fù)合物結(jié)構(gòu)的解析首次證明了在Ndi1中同時(shí)存在兩個(gè)泛醌結(jié)合位點(diǎn),。結(jié)合電子順磁共振實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,，作者最終提出了Ndi1催化電子從NADH傳遞給泛醌UQ的機(jī)制（圖）。這些研究結(jié)果不但很好的解釋了當(dāng)前許多看似相互矛盾的生化數(shù)據(jù),，而且為研究NDH-2介導(dǎo)電子傳遞的詳細(xì)機(jī)制,、針對(duì)NDH-2的藥物設(shè)計(jì)以及更好地將Ndi1應(yīng)用于基因治療提供了基礎(chǔ)。在該研究中,，楊茂君課題組主要通過大量的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究提出了該家族蛋白的可能的工作機(jī)制,，然后綜合運(yùn)用了生物信息學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué),、細(xì)胞生物學(xué),、遺傳學(xué)、以及物理學(xué)等多學(xué)科手段證明了這些發(fā)現(xiàn),，系統(tǒng)地研究了該家族最具代表性的蛋白Ndi1的各方面特性,，全方位地展示了該蛋白發(fā)揮其線粒體呼吸鏈電子傳遞入口這一重要生物學(xué)功能的機(jī)理，是迄今已報(bào)道的該蛋白家族的研究中最系統(tǒng),、最全面的一次研究,。
該研究與生命學(xué)院王佳偉副教授,、吳嘉煒教授和周兵教授，中國(guó)科學(xué)院植物研究所的曾慶銀研究員以及中國(guó)科技大學(xué)的田長(zhǎng)麟研究員等研究組合作完成,。上海同步輻射以及合肥強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心分別為晶體數(shù)據(jù)收集和電子順磁共振實(shí)驗(yàn)提供了及時(shí)有效的支持,。該研究獲得科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目及清華-北大生命聯(lián)合中心的支持,。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature11541
PMC:
PMID:
Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases
Yue Feng, Wenfei Li, Jian Li,Jiawei Wang,Jingpeng Ge, Duo Xu, Yanjing Liu, Kaiqi Wu, Qingyin Zeng, Jia-Wei Wu, Changlin Tian, Bing Zhou & Maojun Yang
The single-component type-II NADH dehydrogenases (NDH-2s) serve as alternatives to the multisubunit respiratory complexI (type-I NADH dehydrogenase (NDH-1), also called NADH:ubiquinone oxidoreductase; EC 1.6.5.3) in catalysing electron transfer from NADH to ubiquinone in the mitochondrial respiratory chain. The yeast NDH-2 (Ndi1) oxidizes NADH on the matrix side and reduces ubiquinone to maintain mitochondrial NADH/NAD+ homeostasis. Ndi1 is a potential therapeutic agent for human diseases caused by complex?I defects, particularly Parkinson’s disease, because its expression restores the mitochondrial activity in animals with complexI deficiency. NDH-2s in pathogenic microorganisms are viable targets for new antibiotics. Here we solve the crystal structures of Ndi1 in its substrate-free, NADH-, ubiquinone- and NADH–ubiquinone-bound states, to help understand the catalytic mechanism of NDH-2s. We find that Ndi1 homodimerization through its carboxy-terminal domain is critical for its catalytic activity and membrane targeting. The structures reveal two ubiquinone-binding sites (UQI and UQII) in Ndi1. NADH and UQI can bind to Ndi1 simultaneously to form a substrate–protein complex. We propose that UQI interacts with FAD to act as an intermediate for electron transfer, and that NADH transfers electrons through this FAD–UQI complex to UQII. Together our data reveal the regulatory and catalytic mechanisms of Ndi1 and may facilitate the development or targeting of NDH-2s for potential therapeutic applications
