清华大学杨茂君博士研究组在《自然》发表论文

报道一种新的抗生素药物靶点的晶体结构及工作机制

  清华新闻网10月23日电 10月21日,清华大学生命学院杨茂君博士研究组在Nature杂志在线发表题为《线粒体二型NADH脱氢酶的结构与功能(Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases)》的科研论文,首次报道了二型NADH-泛醌氧化还原酶Ndi1的晶体结构,并对其功能和工作机制进行了详细的研究。生命学院博士生冯越、李文斐、李坚为本文的共同第一作者,杨茂君博士为本文的通讯作者。

图为Ndi1蛋白质C端的功能。

   众所周知,位于线粒体内膜上的呼吸链是生物体最重要的能量来源。呼吸链,又称电子传递链,由复合物I-V组成,是将代谢过程中产生的电子从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)或黄素腺嘌呤二核苷酸FADH2向氧分子传递的系统,生成ATP,为机体提供能量。其中的复合物Ⅰ,又称NADH-泛醌氧化还原酶(NDH-1),是这些电子进入电子传递链最重要的入口。在多种生物中,复合物Ⅰ可以被一类称为二型NADH氧化还原酶(NDH-2)的蛋白所取代,这类蛋白以FAD为辅基催化电子从NADH传递到泛醌(UQ)。NDH-2存在于多种病原微生物中且高度保守,如结核杆菌、疟原虫、刚地弓形虫等,由于在呼吸链中的重要地位,这类蛋白一直被认为是一个重要的药物靶点。同时,很多人类疾病尤其是帕金森氏病等神经退行性疾病都与复合物Ⅰ的缺陷有关,Ndi1(酿酒酵母的一种NDH-2)可以在包括小鼠在内的多种生物中取代缺陷的复合物Ⅰ使机体恢复正常。此外Ndi1蛋白在果蝇中表达可以大大延长果蝇的寿命。Ndi1因此也被认为是一个潜在的基因治疗靶点。

从左到右依次为冯越、杨茂君、李文斐和李坚。

  自1966年被首次发现以来,科学家对NDH-2的生化特性和催化机制进行了大量的研究。但由于缺少这类蛋白的结构信息,现有的许多生化数据始终得不到很好的解释,而且存在多处矛盾亟待解决。杨茂君教授研究组成功解析了这一重要蛋白质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。在所有四个晶体结构中,Ndi1均以同源二聚体形式存在,这与先前认为其以单体形式发挥功能的猜测不同。生物信息学和结构分析发现,在NDH-2中具有一个高度保守的C端结构域(CTD),该结构域介导了Ndi1二聚体化,进而使其形成一个广泛的疏水区域,这赋予了Ndi1附着在线粒体内膜上的特性。随后的生物化学和细胞生物学实验都证实了以上观点。同时,三种Ndi1-底物复合物结构的解析,首次证明了在Ndi1中同时存在两个泛醌结合位点,结合电子顺磁共振实验的结果,他们最终提出了Ndi1通过辅基FAD与第一个泛醌形成的FAD-UQⅠ复合体介导电子从NADH传递给第二个泛醌UQⅡ的电子传递机制。这些研究结果不但很好的解释了当前许多看似相互矛盾的生化数据,而且为今后对NDH-2介导电子传递的详细机制的研究及针对NDH-2的药物设计提供了基础。

  在该研究中,杨茂君课题组主要通过大量的结构生物学研究提出了该家族蛋白的可能的工作机制,然后综合运用生物信息学、生物化学与分子生物学、细胞生物学、遗传学、以及物理学等多学科手段证明了这些发现,系统地研究了该家族最具代表性的蛋白Ndi1的各方面特性,全方位地展示了该蛋白发挥其线粒体呼吸链电子传递入口这一重要生物学功能的机理,是迄今已报道的该蛋白家族的研究中最系统、最全面的一次研究。本研究为定向性的筛选与设计抗疟疾和肺结核等疾病的药物提供了一个新的靶点信息。

  杨茂君博士,1999年毕业于吉林大学生命科学学院;2003年获得中国协和医科大学理学博士;2008年受聘为清华大学生命科学学院特别研究员、博士生导师;2011年首批入选清华-北大生命科学联合中心研究员。其实验室目前主要以结构生物学结合细胞与分子生物学及生物化学为手段,从事重大疾病发生相关蛋白质的结构及特异性抑制剂的筛选与设计以及人体感知分子基础的研究。自2003年以来相继发表SCI论文26篇,论文他引900余次。加入清华大学以后,以主要通讯作者身份在Nature、Mol Cell、PLOS Pathogens、PNAS等杂志发表多篇研究论文,获得教育部霍英东基金、新世纪优秀人才支持计划、科技部重大研究计划、国家自然科学基金面上、重点项目及清华-北大生命科学联合中心支持。该研究与生命学院王佳伟副教授、吴嘉炜及周兵教授,中国科学院植物研究所的曾庆银研究员以及中国科技大学的田长麟研究员等研究组合作完成。上海同步辐射以及合肥强磁场科学中心分别为晶体数据收集和电子顺磁共振实验提供了及时有效的支持。

供稿:生命学院 编辑:范 丽 襄 桦

  

  

  

 

2012年10月23日 15:52:47  清华新闻网

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