清华杨茂君研究组于线粒体呼吸链研究领域再次

来源:http://www.020tL.com 作者:云顶集团简介 人气:87 发布时间:2019-09-23
摘要:动脉粥样硬化被认为是危害人类健康的第一大病因,在我国很多地方已经成为老年人发病率最高的疾病。尽管对动脉粥样硬化已经进行了大量和长期的研究,但其疾病机理、治疗药物靶

动脉粥样硬化被认为是危害人类健康的第一大病因,在我国很多地方已经成为老年人发病率最高的疾病。尽管对动脉粥样硬化已经进行了大量和长期的研究,但其疾病机理、治疗药物靶点还是大量未知,对该疾病的认识逐渐从心脑血管疾病类型到心脑血管疾病结合自身免疫性疾病复合类型。

根据转化视觉科学与技术的一篇论文,一项针对严重干眼症的新型酶治疗的I / II期临床试验的参与者经历了疾病和不适的减少症状。

清华生命学院杨茂君连续发文 探讨呼吸链II型复合物I


清华新闻网2月22日电 2月8日和14日,清华大学生命科学学院杨茂君教授研究组与多个研究组合作分别在《物理化学化学物理》期刊发表题为《通过温控电子自旋共振以及量子计算研究酵母Ndi1反铁磁式电子传递机理》,在《药物化学》期刊发表题为《通过结合小分子的恶性疟原虫PfNDH2的晶体结构获得药物靶点以治疗耐药性疟疾》的研究论文。

这两篇论文应用量子化学计算方法结合生物物理及生物化学方法揭示了酵母呼吸链II型复合物I NDH-2催化电子传递的具体机制,并发现Ndi1中电子传递通路间存在反铁磁量子行为;并首次报道了全新抗恶性疟疾药物靶点呼吸链II型复合物I与药物前体分子复合物的高分辨率的晶体结构,在蛋白结构和生化水平上解释了这种药物分子抑制恶性疟原虫线粒体呼吸链工作的机制,并且在疟原虫繁殖和小鼠体内证明了此药物前体分子的高效抗疟效果。

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RYL-552与PfNDH2的结合方式。

呼吸作用是生物体基本生命活动之一。哺乳动物中,呼吸作用依靠线粒体中的呼吸链大分子蛋白质机器来完成,包括复合物I、复合物II、复合物III、复合物IV以及复合物V。2016年,杨茂君教授研究组先后在《自然》和《细胞》期刊率先报道了线粒体呼吸链超级复合物呼吸体的原子分辨率结构,并提出了全新的电子传递机理,为人类正确理解细胞氧化磷酸化过程提供了坚实的基础。在部分低等真核生物以及原核生物中,不存在类似于哺乳动物中的复合物I,起替代作用的是II型复合物I,其电子传递通路明显不同于复合物I,并且由于其只存在于致病微生物而不存在于人体细胞中,因而被认为是天然的特异性药物靶点。

2012年,杨茂君教授研究组在《自然》上率先报到了酵母来源的II型复合物I的结构,近期又连续发表论文,将低温电子自旋共振和量子化学计算(QM)等方法在结构生物学领域中成功应用,揭示了Ndi1全新的电子传递机制,更为研发全新的治疗耐药性疟疾的药物提供了精确的结构信息。

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Ndi1电子传递机理。

酵母中的Ndi1蛋白能够以FAD为辅基催化电子从NADH传递给泛醌。在此之前,杨茂君研究组解析了Ndi1的高分辨率晶体结构及Ndi1与NADH、UQ以及NADH-UQ三种底物复合物的晶体结构,并应用电子自旋共振方法揭示Ndi1中同时存在两个泛醌结合位点。经典线粒体复合物借助一系列铁硫簇间的反铁磁相互作用介导的“量子隧穿”效应完成电子传递,但Ndi1蛋白中并不含有铁硫簇,其电子传递机制研究具有特殊意义。应用变温ESR方法发现Ndi1蛋白中尽管缺失Fe-S簇,其电子传递过程中仍然存在着反铁磁现象(AFM)。通过针对不同Ndi1电子传递中间体的变温ESR谱图拟合分析获得了反平行电子自旋对之间的海森堡交换耦合常数J,结合量子化学计算方法,系统阐释了Ndi1蛋白中电子从NADH传递到泛醌的通路和机制。

结果表明,在Ndi1蛋白电子传递过程中,FAD中间体自由基的b自旋与UQI半醌自由基的a自旋之间存在着自由基AFM相互作用,当UQI接受了从FADH2依次传来的两个电子,又将电子依次传递给UQII,在这一过程中,半醌自由基对(UQI-UQII)之间也存在着AFM量子行为。进一步的量化计算和生物功能数据表明,Ndi1催化的电子传递过程中的AFM效应是源于辅基·键堆积间的through-space交换相互作用。这一研究结果不仅从机理上阐述了Ndi1中的具体电子传递机制,也为研究和应用生物分子的磁学性质提供了新的思路。

对不同生物的线粒体呼吸链蛋白的相关研究,不仅仅有助于人们理解其工作机制,更为靶向线粒体呼吸链的药物研发奠定了坚实的基础。由于II型复合物I只存在于低等生物中,所以一直以来科学家都认为这一蛋白是一种很好对抗病原体的特异性靶标分子。例如目前疟疾在全世界范围内每年仍造成43万人的死亡和212万新增病例。历史上针对传统抗疟疾药物的耐药虫株不断出现,特别是研究人员2008年在湄公河流域一些国家发现了耐受抗疟疾特效药青蒿素的虫株。这些耐药疟原虫的出现和扩散,对人类健康构成了极大的威胁,因此,新的抗疟疾药物和抗疟疾机制是当前重要的研究内容。对于恶性疟原虫而言,PfNDH2是其线粒体复合物I的替代蛋白,也是其呼吸链工作的启始蛋白。由于其对疟原虫生存起到关键作用,PfNDH2已经被证明是潜在的抗疟药物靶点。另外,由于人等哺乳动物没有PfNDH2的同源蛋白,因而靶向PfNDH2的抗疟药物具有很高的可行性和选择性。但是由于蛋白结构及其与抑制剂的作用机制并不清楚,导致经典的基于结构的药物设计缺乏有效信息,再加之现有抑制剂极差的类药性质,针对PfNDH2进行的抗疟疾药物研发仍存在较大困难。

现有抑制剂溶解度极差,并导致其几乎不可能与靶蛋白共结晶,研究人员首先对已报道的化合物进行了大量的亲水性化学修饰发现了活性更好的化合物RYL-552和RYL-552S。并首次解析了Apo、以及分别结合底物NADH和药物分子RYL-552等的PfNDH2的高分辨率晶体结构。研究人员通过大量生物化学、生物物理学、分子生物学、药物化学构效关系等研究阐明了RYL-552是通过别构调节对PfNDH2产生抑制作用。研究工作发现RYL-552和RYL-552S对九种从四大洲收集来的耐药疟原虫株都具有很好的抑制作用,且对细胞毒性较低。动物实验亦具有很好的治愈效果且与青蒿素有协同抗疟疾作用,因此具有与青蒿素联合用药发展新的疟疾治疗方法的潜能。此研究成果不仅提供了一种全新的可用于联合用药的抗疟药物分子,为有效地治疗耐药疟疾奠定了重要的研究基础,更开辟了一种利用II型复合物I作为药物靶点的全新的研究思路。

清华大学生命学院李文斐、中国科技大学吴凯棋和中国科学院强磁场科学中心于璐为第一篇文章的共同第一作者,清华大学生命科学学院杨茂君教授、中国科技大学生命科学学院微尺度物质科学国家实验室田长麟教授和郑晓教授为本文共同通讯作者;清华大学药学院博士后杨毅庆, 清华大学生命学院于游、和中国协和医科大学李小璐为第二篇文章的共同第一作者,清华大学生命科学学院杨茂君教授、药学院饶燏教授和中国科学院上海巴斯德研究所江陆斌研究员为本文共同通讯作者。本工作获得清华大学结构生物学高精尖中心、清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金, 国家优秀青年基金和国家自然科学基金的大力支持。

论文链接:

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供稿:生命科学学院 编辑:徐静

清华杨茂君研究组于线粒体呼吸链研究领域再次取得突破


清华新闻网8月25日电 8月24日,清华大学生命科学学院杨茂君研究组在《细胞》杂志在线发表《人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2的结构》,解析了目前所知的人源呼吸链蛋白质最高级的组织形式——超超级复合物的高分辨率三维结构及超级复合物的原子分辨率结构。这是继2016年9月和12月,该研究组分别在《自然》和《细胞》期刊发表长文,阐释猪源呼吸链超级复合物I1III2IV1原子分辨率三维结构之后的又一重大成果。

在此次发表的文章中,杨茂君研究组首次获得了来源于人类细胞的呼吸链蛋白复合物样品,并运用冷冻电镜三维重构的方法首次成功解析了比呼吸体更高聚集形式的呼吸链超超级复合物的三维结构,证明了线粒体呼吸链复合物存在更高级的组成形式,为此前一直处于各种猜想阶段的最高级线粒体呼吸链复合物组织形式的存在提供了直接证据,是该研究领域的一项重大突破。

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人源呼吸链超超级复合物整体结构。

左图上,人源线粒体呼吸链超超级复合物I2III2IV2结构模型;左图下,线粒体膜间隙一侧,复合物III和IV中细胞色素c结合位点。右图上,线粒体呼吸链复合物完整聚合形式预测模型I2II2III2IV2;右图下,线粒体膜间隙一侧,细胞色素c参与电子传递时在复合物III和IV之间的运动路径。Megacomplex,超超级复合物;M线粒体基质;IM,线粒体内膜;IM,线粒体膜间隙;CI,复合物I;CII,复合物II;CIII,复合物III;CIV,复合物IV;Cyt.c,细胞色素c。

杨茂君研究组长期致力于线粒体呼吸链蛋白的结构与功能研究,此前曾于2012年在《自然》期刊报道了II-型线粒体呼吸链复合物I的结构,揭示了其调控及电子传递机制,为设计针对II-型线粒体呼吸链复合物INDH2为靶点的药物奠定了良好基础。2017年,杨茂君研究组连续报道了NDH2II-型线粒体呼吸链复合物的详细电子传递机制,同时开发了以疟原虫NDH2II-型线粒体呼吸链复合物为靶标的新型抗疟疾药物前体分子,为开发治疗疟疾的新药打下良好基础。经过多年努力,研究组于2016年攻克了哺乳动物线粒体呼吸链超级复合物的原子分辨率结构这一国际性难题。去年的研究发现,该复合物是由一个复合物I、两个复合物III和一个复合物IV构成,是包括44个膜蛋白在内的81个蛋白亚基所构成的超大分子机器。

云顶集团网站,上述系列研究揭示了复合物I各亚基之间细致的相互作用,鉴定出了各复合物蛋白亚基之间及复合物之间的结合方式,发现了磷脂分子在呼吸体结构中发挥的重要作用。值得一提的是,杨茂君教授依据结构信息提出了全新的线粒体呼吸链之间电子传递与质子转运的模型,这与目前研究界处于主流地位的Q-循环假说完全不同。

在此次发表的论文中,研究组第一次直接证明了高于呼吸体的呼吸链超超级蛋白复合物的组织形式的存在,是国际研究界对线粒体呼吸链蛋白研究中内首次获得的人源蛋白质复合物结构。论文首次阐述了人源线粒体复合物I 、复合物III、复合物IV、超级复合物I1III2IV1和超超级复合物I2III2IV2的结构。

另外,文章重点报道了呼吸链超超级复合物近乎中心对称的环形结构。有趣的是,在二聚的复合物III线粒体膜间隙一侧,观测到了两个处于结合状态的细胞色素c蛋白亚基,该结构细节有力证明了环形结构中心的两个复合物III的单体都是有活性的,否定了之前其他研究组提出的关于复合物III半失活理论。此结果进一步支持了杨茂君教授之前提出的电子传递模型。

此外,通过计算机模拟,研究组还首次将复合物II的结构嵌入呼吸链超级复合物的模型,由此可以推论在线粒体呼吸链中四个电子传递链蛋白将组合成一个更大的超超级复合物来更高效地发挥功能,从而将全部四个呼吸链复合物在结构水平上统一到了一起,并预测了呼吸链复合物全新的完整聚合形式,为之后的研究提供了新的思路。

人类线粒体呼吸链系统异常会导致如阿兹海默综合症、帕金森综合症、多发性硬化、少年脊髓型共济失调及肌萎缩性脊髓侧索硬化症等多种疾病。由于人源线粒体呼吸链蛋白复合物的纯化条件极为苛刻、难度系数大,所以针对这些蛋白的药物筛选一直都很难开展。杨茂君研究组建立的一系列蛋白纯化方法和技术为今后的药物研发奠定了良好基础,其结构的解析不仅阐明了这些蛋白的作用方式及反应机理,也为人类攻克线粒体呼吸链系统异常所导致的疾病提供了良好开端。

《细胞》期刊审稿人在评审意见中说: “这一由140个亚基构成的环形结构令人印象深刻,为线粒体呼吸链复合物的组成形式提供了前所未有的视点。”

清华大学生命科学学院博士生郭润域、宗帅、吴萌,结构生物学高精尖创新中心卓越学者谷金科为本论文的共同第一作者,杨茂君教授为此系列论文的通讯作者。电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台,计算工作得到清华大学高性能计算平台的支持。本项研究得到了清华大学结构生物学高精尖创新中心、国家蛋白质科学研究设施清华基地、清华-北大生命联合中心、清华大学自主科研基金、清华大学蛋白质科学教育部重点实验室、科技部重大科学研究计划专项、国家杰出青年基金、国家自然科学基金的支持。

原文链接:

论文全文:

供稿:生命学院 编辑:悸寔 华山

中国科学院昆明动物研究所研究员赖仞领导的团队最近发现,动脉粥样硬化病人血液中和动脉粥样硬化斑中的抗菌肽LL-37与线粒体DNA复合物(LL-37-mtDNA)的浓度显著升高。线粒体DNA与细菌DNA一样含有丰富的非甲基化CpG重复,这种类型的DNA容易导致发炎。为了避免线粒体DNA导致的发炎反应,在人体内这类DNA会被DNase II清除。但是动脉粥样硬化病人过度分泌LL-37,LL-37与线粒体DNA形成复合物,该复合物可以抵抗DNase II的水解及逃避自噬,并激活Toll样受体9从而持续诱导发炎反应,最终恶化动脉粥样硬化。通过制备LL-37-mtDNA 复合物抗体并用于干预动脉粥样硬化疾病动物模型研究发现,针对该复合物的抗体可以明显抑制动脉粥样硬化发病与恶化,该研究揭示LL-37-mtDNA 复合物是动脉粥样硬化的重要致病因子,该复合物也是动脉粥样硬化的重要标志物、药物治疗靶标,针对该复合物的抗体治疗是一种有效的治疗策略。

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该研究结果最近发表于Immunity (Mitochondrial DNA-LL-37 Complex Promotes Atherosclerosis by Escaping from Autophagic Recognition,Immunity 43, 1137–1147, 2015),并申请了发明专利(LL-37-mtDNA复合物标志物及其应用,CN201410673406.6),该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、云南省科技厅及中国科学院的支持。

该试验比较了含有生物合成形式的DNase酶的滴眼液和不含酶的滴眼液。DNase破坏眼睛表面上的核酸基材料。

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伊利诺伊大学芝加哥医学院眼科学和视觉科学教授,临床主要研究人员Sandeep Jain博士说:“试验中使用DNase滴剂治疗的参与者报告眼睛不适,角膜更健康。”审判。

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在干眼病中,眼泪的产生失调,并且眼睛的透明外层角膜发炎。在严重的干眼病中,通常伴有干燥综合征和眼移植物抗宿主病等疾病,角膜组织中的炎症可能变得极端,导致眼睛疼痛和对光敏感。

以抗菌肽为探针研究动脉粥样硬化疾病机理、药物靶点和治疗策略取得进展

在之前的研究中,Jain及其同事发现DNA链会在受严重干眼症影响的眼睛表面形成网状物。该物质引起炎症反应,进一步刺激眼睛。

“在干眼病中,有几件事情会发生,”Jain解释道。“嗜中性粒细胞聚集在眼睛表面的白细胞数量增加。中性粒细胞释放DNA,在角膜上形​​成称为中性粒细胞胞外陷阱的网状物,引起眼表炎症并吸引额外的中性粒细胞。恶性循环。”

通常情况下,泪液中存在的酶会切断并清除角膜上的DNA和其他碎片,但在患有干眼病的患者中,没有足够的DNA酶来清除这些物质。

在随机,安慰剂对照的I / II期临床试验中,Jain及其同事招募了47名严重干眼症患者。大约一半的参与者诊断为干燥综合征,17%的患者有移植物抗宿主病

  • 这两种疾病都与泪液产生的严重缺陷有关。41名参与者完成了试验。

向参与者给予含有DNase或安慰剂制剂的滴眼剂,并指示每天四次给每只眼睛滴一滴溶液,持续八周。研究人员通过问卷调查评估了患者的症状,并在研究开始前和研究期间测量了眼球表面的角膜损伤程度和DNA网及其他促炎材料的数量。

研究人员发现,与安慰剂组相比,DNase组的参与者在8周时具有统计学意义和临床意义上的角膜损伤减少。与安慰剂相比,与症状相关的问卷评分也反映了DNase组患者的显着改善,安慰剂也减少了角膜DNA网和眼睛表面的其他物质。

“这项早期临床试验的数据表明,DNase滴眼液对于治疗严重干眼症可能是安全有效的,我们期待进行更大规模的随机试验以明确证实其功效,”Jain说。

DNase目前被美国食品和药物管理局批准用于治疗囊性纤维化。其用于治疗对其他药物无反应的严重干眼症仍被FDA认为是实验性的。

“严重干眼症的负担远远大于偶尔感觉干燥,”Jain说。“它可以严重影响生活质量,达到残疾的程度,并且会损害一个人的视力。目前只有两种被批准用于治疗干眼症的药物,它们并不适用于所有人,特别是那些患有严重疾病的人,所以能治疗这种疾病的新药非常重要。“

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