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温州医科大学吕建新团队提出线粒体呼吸链超级复合体组装新模型
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北京时间2021年4月13日晚23时，温州医科大学吕建新教授团队在Cell Reports杂志发表研究论文——“A membrane arm of mitochondrial complex I sufficient to promote respirasome formation”。
该研究发现了基于线粒体呼吸链复合体I亚模块的超级复合体亚组装体（Respirasome subcomplex）的存在，并提出了全新的超级复合体组装模型。
线粒体呼吸链复合体是一类存在于线粒体内膜的蛋白质复合体（复合体 I-V），它们接收来自NADH和FADH2的电子形成质子梯度，并利用转移电子储存的能量催化生成ATP。同时，不同的线粒体呼吸链复合体会进行组装而形成更大的超级复合体，如超级复合体Ⅲ2+IV和超级复合体I+Ⅲ2+IV（又称为呼吸体，Respirasome）[1]。有研究表明，呼吸体的组装并不需要组装完整的复合体I，复合体I的前体可以结合复合体Ⅲ和复合体IV形成分子量为830kDa的pre-CI+Ⅲ2+IV[2]。
复合体I作为最大的呼吸链复合体，由14个核心亚基和31个装饰亚基组成。复合体I可以分为嵌入线粒体内膜的膜臂（又可分为PP-a、PP-b、PD-a、PD-b模块）以及伸入线粒体基质的基质臂（又可分为N模块和Q模块）[3]。在基质臂上，N模块氧化NADH产生电子并由Q模块传递至辅酶Q（CoQ）。在膜臂上，来自电子传递过程的能量将质子从基质侧泵向膜间隙侧[4]。
TIMMDC1是复合体I的组装因子，在复合体I的组装过程，TIMMDC1介导PP-a模块和PP-b模块的组装[2]。SCAF1，又称COX7A2L，是目前唯一被证明参与超级复合体组装的组装因子，其介导复合体Ⅲ和复合体IV的组装[5]。
在吕建新教授的指导下，方合志研究员以及硕士研究生叶相来、谢洁、李圆圆等发现复合体I组装因子TIMMDC1缺失的细胞模型存在超级复合体存在亚组装体，并通过一系列实验证明了该亚组装体的组成成分。同时，该研究发现了位于膜臂的PD-a模块是推进超级复合体I+Ⅲ2+IV组装的关键。最终，团队提出了基于PD-a模块的线粒体超级复合体的组装新模型。
首先，团队基于非变性胶Blue Native PAGE技术[6]和免疫印迹技术,发现了在TIMMDC1缺失的细胞模型中存在一分子量介于超级复合体I+Ⅲ2+IV和复合体I之间的未知复合体，并发现了该复合体包含复合体I的PP-b模块，PD-a模块以及复合体Ⅲ和复合体IV。通过在TIMMDC1缺失的细胞模型中分别敲低了来自复合体I、Ⅲ、IV的各个组成亚基，以及复合体I的各组装因子和超级复合体组装因子COX7A2L，证明了该蛋白质复合体是超级复合体I+Ⅲ2+IV的亚组装体（Respirasome subcomplex）。
其后，团队通过线粒体蛋白组学技术，发现了PD-a模块的缺失影响复合体I各个模块中的亚基以及复合体Ⅲ和复合体IV的亚基的蛋白含量。其外，还通过Blue Native PAGE技术证明了PD-a模块的缺失影响复合体Ⅲ和复合体IV的稳定水平。
同时，团队通过由携带TIMMDC1突变基因的病人淋巴细胞构建的永生化细胞模型和TIMMDC1缺失的斑马鱼模型再次验证了TIMMDC1在超级复合体组装中的作用。
基于以上研究，团队提出了基于PD-a模块的线粒体超级复合体的组装新模型。在组装因子SCAF1的协助下，复合体Ⅲ和复合体IV结合在PD-a模块上并开始了超级复合体I+Ⅲ2+IV的组装。TIMMDC1作为另一个超级复合体组装因子，继续复合体I的组装，并最终完成复合体I+Ⅲ2+IV即呼吸体的组装。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108963
参考文献
1.Schagger, H. and K. Pfeiffer, Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria. EMBO J, 2000. 19(8): p. 1777-83. 2.Lopez-Fabuel, I., et al., Complex I assembly into supercomplexes determines differential mitochondrial ROS production in neurons and astrocytes. Proc Natl Acad Sci U S A, 2016. 113(46): p. 13063-13068. 3.Stroud, D.A., et al., Accessory subunits are integral for assembly and function of human mitochondrial complex I. Nature, 2016. 538(7623): p. 123-126. 4.Brandt, U., Energy converting NADH:quinone oxidoreductase (complex I). Annu Rev Biochem, 2006. 75: p. 69-92. 5.Lobo-Jarne, T., et al., Human COX7A2L Regulates Complex III Biogenesis and Promotes Supercomplex Organization Remodeling without Affecting Mitochondrial Bioenergetics. Cell Rep, 2018. 25(7): p. 1786-1799 e4. 6.Wittig, I., H.P. Braun, and H. Schagger, Blue native PAGE. Nat Protoc, 2006. 1(1): p. 418-28.
https://blog.sciencenet.cn/blog-3423233-1281870.html
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