Science：中美科学家联袂解析出四膜虫呼吸链的结构，揭示出真核生物核心代谢的多样性

2022年4月5日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自中国浙江大学医学院和美国加州大学戴维斯分校的研究人员发现作为一种微小的单细胞生物，四膜虫（Tetrahymena）原来隐藏着一个惊人的秘密：它的呼吸作用---利用氧气产生细胞能量---与植物、动物或酵母等其他生物不同。这一发现突出了结构生物学中新技术的力量，并揭示了我们对生命之树的一个主要分支的认识差距。相关研究结果于2022年3月31日在线发表在Science期刊上，论文标题为“Structures of Tetrahymena’s respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism”。

论文共同第一作者、加州大学戴维斯分校分子与细胞生物学系博士后研究员Maria Maldonado说，“我们原本认为我们通过研究其他生物了解了呼吸作用，但是这项新的研究让我们看到了我们还有多少不了解的地方。”

四膜虫是一种自由生活的单细胞生物，通常通过拍打它们的纤毛在池塘周围安静地游泳。像我们一样，它们是真核生物，它们的遗传物质存在于细胞核中。它们属于一个庞大而多样的生物群体，称为SAR超级组（supergroup）。除了少数例外，比如疟原虫，对SAR超级组的研究很少。Maldonado说，“它们在生物圈中占据了一个很大的比例，但是我们并不怎么考虑它们。”

论文通讯作者、加州大学戴维斯分校生物科学学院分子与细胞生物学助理教授James Letts说，像所有其他真核生物和一些细菌一样，四膜虫通过呼吸作用消耗氧气来产生能量。

线粒体中的电子传递链，图片来自wikidoc.org。

氧气是在呼吸作用所涉及的一系列化学反应的最后出现的。电子通过位于线粒体内膜中称为嵴的结构中的蛋白链。这促使氧和氢原子形成水，泵送质子穿过细胞膜，这接着又促使ATP的形成，而ATP是细胞的化学能量储存单位。这种电子传递链是人类和其他真核生物基于氧气的呼吸作用的基础。

结构生物学中的新方法

Letts说，有一些线索已表明四膜动物的电子传递链有一些不同之处。在20世纪70年代和80年代，科学家们发现它的电子携带蛋白---细胞色素c---和电子传递链末端的氧气消耗酶---与植物和动物的功能不同。在此之前，人们还不清楚这些酶如何或为何在四膜虫中出现差异，因为这些酶在其他研究的真核生物中是保守的。

Maldonado、Letts和论文共同第一作者、浙江大学医学院的Long Zhou使用结构生物学中的新方法来揭示四膜虫的电子传递链。这些方法包括低温电镜结构蛋白质组学方法，即在混合的样品中同时找出大量蛋白的结构。

低温电镜将样品冷冻到极低的温度，从而产生近原子分辨率的图片。这些作者没有对单一的、纯化的蛋白进行成像，而是使用从线粒体膜中分离出来的混合样本，然后教导了一种识别相关结构的算法。

通过这种方式，这些作者能够扫描数十万张蛋白图片，并在近原子分辨率下识别三个大组合中277个蛋白的结构，这些蛋白代表了四膜虫电子传递链。其中的一些蛋白在已知的四膜虫基因组数据库中没有匹配的基因---这表明在现有的参考基因组中肯定存在空白。

Letts说，通过揭示我们对一种相当常见的生物的知识差距，这项新的研究显示了我们在生物多样性方面的盲点。他说，这也显示了这些新方法在结构生物学中作为发现工具的潜力。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：
1.Long Zhou et al. Structures of Tetrahymena's respiratory chain reveal the diversity of eukaryotic core metabolism. Science, 2022, doi:10.1126/science.abn7747.

2.New technology solves mystery of respiration in Tetrahymena
https://phys.org/news/2022-03-technology-mystery-respiration-tetrahymena.html