杨茂君尝试室全部成员合影
科技日报记者 杨 纯
杨茂君传授很对劲本身的微信头像，作为清华年夜学生命科学学院传授，做线粒体呼吸链研究十余年，他把一张尽是中国元素“飞龙”的图片做成头像，丹青中飞跃的“二龙”：一条是年画中威武的“中国龙”，另外一条“龙”由呼吸链中卵白质机械的三维图“变幻”而成。
在接管科技日报记者采访时，杨茂君暗示，这张图是颁发在国际顶级期刊《细胞》杂志网站首页的照片，它代表着地点团队在生命科学范畴获得的一项冲破性功效。
呼吸，是生命的体征和原动力，人无时无刻不在呼吸，呼吸感化首要由位于线粒体内膜上的呼吸链超等复合物完成，对线粒体呼吸链的研究一向都是生命科学范畴的热门之一。1978年Peter D.Mitchell因提出线粒体呼吸链的化学渗入假说，1997年John E.Walker因说明三磷酸腺苷（ATP）合成酶的三维布局取得诺贝尔化学奖；日前，William G.Kaelin等科学家因发现了氧气感知通路（生命体对缺氧和富氧做出分歧反映的份子机制）取得了2019年诺贝尔心理学或医学奖。
早在2008年刚回国组建尝试室时，杨茂君传授就认定了线粒体呼吸链这个研究标的目的。那时，处于呼吸链上游的超等复合物的布局及功能的研究，在我国还相对照较掉队，面临这块难啃的“骨头”，他偶然也会感慨“前路漫漫”。
颠末十年如一日的潜心研究，杨茂君团队在这条摸索之路上终究获得了一系列功效：霸占了哺乳动物线粒体呼吸链超等复合物的原子分辩率布局这一困难；初次从体外培育的人源细胞平分离、纯化出高纯度的呼吸链卵白复合物，而且初次发现并解析了人源超超等复合物I2III2IV2的高分辩率三维布局。相干研究功效“线粒体呼吸链卵白的布局与功能研究”取得了2018年度北京市科学手艺奖二等奖。
初次解析呼吸链超超等复合物高分辩率布局
甚么是呼吸链呢？
线粒体是细胞进行有氧呼吸的首要场合，是细胞的“动力车间”，细胞生命勾当所需的能量，年夜约95%来自线粒体。线粒体里面有一层褶皱良多的内膜，内膜上有出产能量的“机械”——卵白质，这些卵白质在内膜上完成氧气、电子、质子等物资的“搬运”“安装”等工作，这条发生能量的“流水线”被称为呼吸链。杨茂君传授团队所做的，恰是将这些“机械”的“配件”一点点拆解开来，并为其画出邃密的布局。
想要研究呼吸链超等复合物的功能，起首要可以或许看清它的“样子”。前人的研究表白，呼吸感化由位于线粒体内膜上的4种呼吸链卵白复合物分步完成。这四种卵白复合物别离为复合物I（NADH脱氢酶）、复合物II（虎魄酸脱氢酶）、复合物III（细胞色素c还原酶）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）。
“复合物其实不是零丁存在，而是以分歧的情势组合构成超等复合物，因为今朝良多复杂的年夜份子物资难以取得晶体，X射线晶体学成像便没法取得其高分辩率布局，是以需要借助最新科技功效——冷冻电镜手艺来帮手。”杨茂君传授说道，“经由过程挑选、添加年夜量活性小份子化合物，我们开辟并优化了卵白纯化新方式，终究取得告终构不变、均一性好、纯度较高的猪源线粒体超等复合物，借助单颗粒冷冻电镜手艺，解析了超等复合物的布局，整体分辩率到达3.6到4.0埃，可以不雅测到卵白质亚基之间复杂而详尽的彼此感化，并操纵此方式取得了人源呼吸链超超等复合物（I2III2IV2，由2个复合物I、1个复合物III的二聚体、2个复合物IV和2个细胞色素c卵白构成）的高分辩率三维布局。”这是那时世界上所解析的最年夜、也是最复杂的膜卵白超等复合物布局，为人类深切理解哺乳动物呼吸链复合物的组织情势、份子机理和医治细胞呼吸相干的疾病供给了主要的布局根本。相干研究功效已颁发在国际顶级期刊《天然》《细胞》上。
基于取得的高分辩率布局，杨茂君传授提出了全新的电子传递机制，新提出的电子传递模子斟酌到了超等复合物的存在情势，全部进程中不会发生超氧自由基，而且具有更高的电子传递效力，从能量转换的角度来讲对能量的操纵加倍高效，从布局上斟酌也加倍公道。今朝，这一理论还处于假定阶段，需要后续加倍邃密的生物化学尝试对其加以验证。
若何操纵解析出的卵白质布局研发靶向药物，医治呼吸链异常引发的疾病，让科学研究为人类的健康办事也是今朝研究的重点。杨茂君传授告知记者：“因为II型复合物I只存在于低等生物中，所以它被以为是一种很好的匹敌病原体的特异性靶标份子。例如，疟疾是遭到全球存眷的主要公共卫生题目之一，经由过程挑选，科学家发现存在两种化合物可以与靶卵白共结晶，并且对细胞毒性较低。其与青蒿素有协同抗疟疾感化，是以具有与青蒿素结合用药成长新的疟疾医治方式的潜能。该工作为抗疟疾药物研发供给了主要信息，根据该信息的抗疟疾药物也正在研发当中。”
科学研究要不惟书、不惟上、只唯实
当真不雅察、年夜胆假定、谨慎求证是取得原创性冲破功效的“三年夜宝贝”。论文颁发后，杨茂君传授经常打量这组复合物，复合物I、III、IV像乐高玩具的组件一样被拼插在一路。
“我发现这里空着。”杨茂君传授一边指一边对记者说，复合物III伸出一只“手臂”，“颠末亿万年的进化，生物体不成能让另外一边如许华侈着，必定还有没被发现的布局”。
杨茂君传授富有创意地用“中国龙”图案来取代未被揭秘的对称面，这恰是颁发在《细胞》上的论文配图的由来。
杨茂君传授相信这一研究可以更进一步，可是线索在哪儿？
“对称才是美的，伸出的这边极可能连系着其他的复合物。”杨茂君传授决议从头纯化复合物IV，“拿到密度图以后，我细心阐发了各个亚基的环境，成果发现13个亚基都吻合匹配，只是在本来以为连系另外一个复合物IV构成二聚体的界面上呈现一团‘不明物体’。经由过程成立模子，进行匹配，发现那团‘不明物体’是亚基NDUFA4。在以往纯化复合物IV时，亚基NDUFA4因为超强往垢剂的插手而没法不变连系。”
至此，复合物IV的答案终究被揭开。“准确的卵白质布局，可以或许让我们加倍清楚地领会电子传递的路径。在复合物IV的反映中间，氧气天生了水，同时另外一部门质子（H+）被直接泵进线粒体膜间隙中留作他用。”杨茂君说，“在漫长的研究进程中，我们天天面临的不是成功的喜悦，而是各类掉败，但恰是在掉败的根本上逐步发现本相的进程，才最使人兴奋。”
科学家要为人类健康和将来成长思虑
对线粒体呼吸感化的研究不但具有主要的科学意义，并且有助于霸占多种严重的综合性疾病。
“人类线粒体呼吸链系统异常会致使多种疾病，例如，阿尔茨海默综合征、帕金森综合征、多发性硬化等，我们的研究功效为这些疾病供给了一种医治的可能性，但愿我们的研究终究可以或许被转化成治病救人的药物。”杨茂君传授对记者说道，越深切地领会卵白质的邃密布局，越可以或许参透生命体的运转。“经由过程研究，我们可以明白知道哪一个原子出了题目，并设计药物有的放矢地干涉干与疾病，以到达医治结果。”
研究团队今朝正在对已上市的1400多种药物进行阐发，发现有56种药物的感化靶点在呼吸链上。
“例如，呋塞米能增进细胞呼吸，进步氧气操纵效力，是今朝最有用的抗高原反映药物，其感化靶点恰是在呼吸链上。病人在服用有些药物后会发生心悸、无力等副感化，这些发现可以帮忙科学家改良药物，以消减其副感化。”杨茂君传授暗示。
在杨茂君传授心里深处，有一个最终胡想：经由过程科学研究，实现人体温度的调控，以耽误人的寿命。“假设或人得医学范畴某种今朝还不克不及被治愈的疾病，可以选择把他的体温降下来，保持根本代谢，让他进入眠眠状况。过20年，这个病能治了，再让他复苏，接管更好的医治。”他对记者说道。
之所以有如许的最终胡想，杨茂君传授暗示，其实不是天马行空，人体体温热量首要来历于线粒体，实现这个胡想的冲破口就在线粒体的研究上。
呼吸是机体最根基的生命勾当，最为泛泛却又十分神秘，揭开呼吸链超等复合物的“庐山真脸孔”，摸索本身生命勾当的纪律，是人类医药健康成长汗青上一个永久的话题。
尝试室年夜事记
2008年6月6日
尝试室成立于清华年夜学生命学院，尝试室成立早期首要的研究手段是X射线晶体学。从一起头杨茂君传授就将对线粒体呼吸链的研究作为尝试室的主攻标的目的之一，出力于从对呼吸链卵白复合物的润色角度来开辟医治疟疾的药物。
2012年
尝试室在国际顶级期刊《天然》杂志上颁发了成立以来的第一篇高程度学术论文，初次解析了酵母中II型NADH脱氢酶的高分辩率布局并验证了此中的电子传递机制。
2015年
尝试室经由过程与清华年夜学相干尝试室的合作，成功利用冷冻电镜方式解析了首个机械力敏感离子通道卵白复合物（Piezol1）的布局，标记实在验室转型成功，把握了冷冻电镜手艺。相干功效颁发在国际顶级期刊《天然》杂志上。
2016年
尝试室在把握了冷冻电镜手艺以后，连系以往卵白质纯化的经验，很快就取得了呼吸链超等复合物的高质量冷冻样品，并解析了国际上首个完全的哺乳动物（猪源）呼吸链超等复合物的高分辩率三维布局，相干研究功效于2016年颁发在国际顶级期刊《天然》和《细胞》杂志上。
2017年
在解析了猪源超等复合物的布局以后，尝试室又致力于霸占人源呼吸链超等复合物的三维布局，这对医治线粒体相干的代谢疾病具有很是主要的感化。同时，尝试室还验证了超超等复合物的概念，初次取得了这一最高组织情势的呼吸链复合物的三维布局。相干的研究功效颁发在国际顶级期刊《细胞》杂志上。
2019年
跟着呼吸链卵白复合物纯化手段的越发成熟，尝试室又成功制备了ATP合成酶的冷冻样品。与以往的ATP合成酶分歧，获得的是处于按捺状况下的ATP合成酶四聚体。这是初次捕捉各单体之间彼此按捺状况下的ATP合成酶，对理解体内合成ATP的调理机制具有很是主要的感化。相干的研究功效颁发在国际顶级期刊《科学》杂志上。
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