Nature：利用新型高分辨率成像技术解析出哺乳动物线粒体呼吸超级复合物的三维结构

在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学和中国南京中医药大学的研究人员通过整合两种显微镜技术——单颗粒分析和低温电子断层扫描术（cryo-ET），开发出一种新的成像方法，对来自动物模型的线粒体进行成像。这种新的高分辨率显微镜技术使得他们能够首次在原子水平上观察到天然膜环境中线粒体呼吸的动态过程。它可能帮助人们更好地了解线粒体和其他病变细胞的细胞器内发生的情况，并确定新的、更精确的药物靶点。他们还开发了独创的计算方法，以解决高分辨率低温电镜（cryo-EM）分析来自高度拥挤环境的图像的瓶颈问题。相关研究结果近期发表在Nature期刊上，论文标题为“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes”。

这种新的技术使得他们能够以前所未有的分辨率观察细胞器内蛋白在它们的天然环境中的组装情况。他们还研究了在这些模型中诱导疾病如何改变线粒体膜内这些蛋白的结构。他们的研究为在原子水平上观察细胞内的分子组成铺平了道路。

论文共同通讯作者、耶鲁大学分子生物物理学与生物化学助理教授Jack Zhang博士说，“以前，我们的技术无法揭示相互作用是如何发生的。但是在这项新的研究中，我们看到了原子，看到了分子结构，看到了一切是如何相互作用的，让我们对细胞环境中的机制有了全新的认识。”

结合两种显微镜概念生成高分辨率图像

目前，结构生物学家受到现有显微镜技术的分辨率或可实现的目标规模的限制。Zhang说，“我们甚至无法（使用传统方法）区分蛋白亚基，更不用说细胞环境中的原子细节了。”

这些作者之所以能完成这项壮举，是因为他们结合了单颗粒分析cryo-EM和cryo-ET技术的概念，以及图像分析方法的新发展，从而能在cryo-ET尺度上分析高分辨率的细胞cryo-EM图像。

Zhang解释说，“单颗粒分析非常适合于对单个分子进行成像，但不适合于对细胞结构进行成像。cryo-ET是研究细胞结构的完美工具，但其分辨率通常仅限于几纳米。”

他们克服了这一技术难题，开发了一种在单颗粒模式下对cryo-ET靶标进行成像的方法，同时采用cryo-ET重建作为后续单颗粒对准和分类的初始参考。

图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07488-9

传统单颗粒低温电镜的另一个局限是，它通常要求科学家们先分离和纯化感兴趣的蛋白质，然后将其冷冻并安装到低温电镜网格上，从而使分子脱离它们的天然环境。

这个过程破坏了较弱组装的高阶生物复合体，以及生理条件下的反应。这对膜蛋白尤为重要，因为使用去污剂纯化的样品会完全破坏对膜蛋白的正常功能至关重要的天然膜环境。

通过结合这些显微镜方法和开发新的计算方法，这些作者能够同时构建单颗粒分辨率和cryo-ET尺度的图像，然后利用创新算法将这两者连接起来，使得能够以无与伦比的详细程度观察分子结构。

值得注意的是，他们的技术首次让他们能够在天然线粒体中观察膜蛋白结构，并在这整个细胞器中观察蛋白的自然组装和功能。

以原子细节可视化观察线粒体超级复合物

利用新的显微镜技术，这些作者直接对来自动物心脏模型的线粒体进行了成像，以探究线粒体呼吸超级复合物（mitochondrial respiratory supercomplex），这些复合物是生活在这种细胞器内膜中的蛋白的集合体，在能量生产中发挥着重要作用。

他们首次无需将这些超级复合物从线粒体中分离出来，就能以原子细节观察它们的结构。尤其引人注目的是，这种分辨率甚至可以直接观察到与这些超级复合物结合的单个水分子。

由于与纯化的蛋白不同，所有这些超级复合物都处于它们的天然环境中，因此他们能够在原子水平上可视化观察大量反应性中间体在线粒体内运作时的结构。

Zhang说，“通过一种新颖的分类策略，我们看到了蛋白如何对它们所在的环境产生反应，并捕捉到不同的中间状态。”

传统方法只能提供分子的位置信息或分子在细胞环境中的低分辨率整体形状。这种新方法对制药和临床具有重大意义。Zhang说，“它可以帮助我们研究分子在它们的天然细胞中对某些药物的反应。”

为开发更有效的新型药物铺平道路

这种显微镜技术在帮助科学家们了解多种疾病的内在机制方面可能也具有开创性意义。为了进一步探索这一点，这些作者构建出多种心肌缺血状态的动物心脏模型。

他们发现，不同的疾病阶段会诱导超线粒体超级复合物及其天然膜的构象分布和形状发生显著变化。这项开创性的研究工作为结构生物学设立了新标准，未来的研究工作将挖掘这种新方法的巨大潜力。

展望未来，这些作者的技术可以为科学家们提供一个全新的视角，让他们了解正常细胞和患病细胞内部发生了什么，最终可能为开发靶向新发现的分子通路或结构的高精度疗法铺平道路。

这对膜蛋白尤为重要，因为膜蛋白在生理和病理过程（包括细胞-细胞通信、病原体-宿主相互作用、信号转导、药物可访问性）中发挥着关键作用，是重要的药物靶标，具有高度特异性和选择性，它们的靶标类别多样，治疗潜力巨大。

Zhang团队已经开始着手将这项技术用于研究多种疾病模型，包括动物模型和潜在的供体组织，以研究在这些不同环境下细胞内部发生了什么。“通过将我们的研究扩展到医学应用领域，我们可以提供前所未有的详细资料，了解病变细胞内发生了什么，从而提供更好的药物和治疗方法。”（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Wan Zheng et al. High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07488-9.