Science：中美科學家聯袂解析出四膜蟲呼吸鏈的結構，揭示出真核生物核心代謝的多樣性

2022年4月5日訊/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自中國浙江大學醫學院和美國加州大學戴維斯分校的研究人員發現作為一種微小的單細胞生物，四膜蟲（Tetrahymena）原來隱藏著一個驚人的秘密：它的呼吸作用---利用氧氣產生細胞能量---與植物、動物或酵母等其他生物不同。這一發現突出了結構生物學中新技術的力量，并揭示了我們對生命之樹的一個主要分支的認識差距。相關研究結果于2022年3月31日在線發表在Science期刊上，論文標題為“Structures of Tetrahymena’s respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism”。

論文共同**作者、加州大學戴維斯分校分子與細胞生物學系博士后研究員Maria Maldonado說，“我們原本認為我們通過研究其他生物了解了呼吸作用，但是這項新的研究讓我們看到了我們還有多少不了解的地方?！?

四膜蟲是一種自由生活的單細胞生物，通常通過拍打它們的纖毛在池塘周圍安靜地游泳。像我們一樣，它們是真核生物，它們的遺傳物質存在于細胞核中。它們屬于一個龐大而多樣的生物群體，稱為SAR超級組（supergroup）。除了少數例外，比如瘧原蟲，對SAR超級組的研究很少。Maldonado說，“它們在生物圈中占據了一個很大的比例，但是我們并不怎么考慮它們?！?

論文通訊作者、加州大學戴維斯分校生物科學學院分子與細胞生物學助理教授James Letts說，像所有其他真核生物和一些**一樣，四膜蟲通過呼吸作用消耗氧氣來產生能量。

氧氣是在呼吸作用所涉及的一系列化學反應的*后出現的。電子通過位于線粒體內膜中稱為嵴的結構中的蛋白鏈。這促使氧和氫原子形成水，泵送質子穿過細胞膜，這接著又促使ATP的形成，而ATP是細胞的化學能量儲存單位。這種電子傳遞鏈是人類和其他真核生物基于氧氣的呼吸作用的基礎。

結構生物學中的新方法

Letts說，有一些線索已表明四膜動物的電子傳遞鏈有一些不同之處。在20世紀70年代和80年代，科學家們發現它的電子攜帶蛋白---細胞色素c---和電子傳遞鏈末端的氧氣消耗酶---與植物和動物的功能不同。在此之前，人們還不清楚這些酶如何或為何在四膜蟲中出現差異，因為這些酶在其他研究的真核生物中是保守的。

Maldonado、Letts和論文共同**作者、浙江大學醫學院的Long Zhou使用結構生物學中的新方法來揭示四膜蟲的電子傳遞鏈。這些方法包括低溫電鏡結構蛋白質組學方法，即在混合的樣品中同時找出大量蛋白的結構。

低溫電鏡將樣品冷凍到極低的溫度，從而產生近原子分辨率的圖片。這些作者沒有對單一的、純化的蛋白進行成像，而是使用從線粒體膜中分離出來的混合樣本，然后教導了一種識別相關結構的算法。

通過這種方式，這些作者能夠掃描數十萬張蛋白圖片，并在近原子分辨率下識別三個大組合中277個蛋白的結構，這些蛋白代表了四膜蟲電子傳遞鏈。其中的一些蛋白在已知的四膜蟲基因組數據庫中沒有匹配的基因---這表明在現有的參考基因組中肯定存在空白。

Letts說，通過揭示我們對一種相當常見的生物的知識差距，這項新的研究顯示了我們在生物多樣性方面的盲點。他說，這也顯示了這些新方法在結構生物學中作為發現工具的潛力。（生物谷 Bioon.com）