Science：新技術(shù)解開了四膜蟲呼吸之謎
四膜蟲，一種微小的單細(xì)胞生物，被發(fā)現(xiàn)隱藏著一個(gè)令人驚訝的秘密:它在進(jìn)行呼吸——利用氧氣產(chǎn)生細(xì)胞能量——不同于其他生物，如植物、動(dòng)物或酵母。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在3月31日的《科學(xué)》雜志上，強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)新技術(shù)的力量，并揭示了我們對生命之樹的一個(gè)主要分支的知識(shí)缺口。
加州大學(xué)戴維斯分校(University of California, Davis)分子和細(xì)胞生物學(xué)系博士后研究員、論文的第一作者之一瑪麗亞·馬爾多納多(Maria Maldonado)說，“我們以為通過研究其他生物，我們了解了呼吸，但這表明我們還有多少不知道。”
四膜蟲是一種自由生活的單細(xì)胞生物，通常被發(fā)現(xiàn)在池塘周圍安靜地游動(dòng)，通過拍打它們的毛或纖毛。和我們一樣，它們也是真核生物，它們的遺傳物質(zhì)在細(xì)胞核中。它們屬于一個(gè)龐大而多樣的生物體群，稱為SAR超級群。除了一些例外，如瘧疾寄生蟲瘧原蟲，SAR超群的研究很少。
馬爾多納多說:“這在生物圈中占了很大的比例，但我們并沒有過多地考慮它們?！?/span>
加州大學(xué)戴維斯分校生物科學(xué)學(xué)院分子和細(xì)胞生物學(xué)助理教授James Letts說，四膜蟲像其他所有真核生物和一些細(xì)菌一樣，通過呼吸消耗氧氣來產(chǎn)生能量。
氧氣在呼吸過程中一系列化學(xué)反應(yīng)的末尾進(jìn)入。電子通過位于線粒體內(nèi)膜的嵴結(jié)構(gòu)中的蛋白質(zhì)鏈。這促使氧原子和氫原子形成水，泵送質(zhì)子穿過細(xì)胞膜，進(jìn)而推動(dòng)ATP的形成，ATP是細(xì)胞儲(chǔ)存化學(xué)能的物質(zhì)。這個(gè)電子傳遞鏈?zhǔn)侨祟惡推渌婧松镆匝鯙榛A(chǔ)的呼吸的基礎(chǔ)。
結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新方法
萊茨說，有一些線索表明，四膜蟲的電子傳遞鏈有些不同。在20世紀(jì)70年代和80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其攜帶電子的蛋白質(zhì)——細(xì)胞色素c——和位于鏈端氧化酶末端的耗氧酶——的功能不同于植物和動(dòng)物。到目前為止，還不清楚這些酶在四膜蟲中是如何或?yàn)槭裁床煌?，而它們在其他研究的真核生物中是保守的?/span>
Maldonado, Letts和共同第一作者Long Zhou利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)的新方法揭示了四膜蟲的電子傳遞鏈。其中包括低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)方法——同時(shí)計(jì)算出混合樣本中大量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
低溫電子顯微鏡將樣品冷凍到極低的溫度，產(chǎn)生幾乎是原子分辨率的圖像。該團(tuán)隊(duì)沒有對單個(gè)純化的蛋白質(zhì)進(jìn)行成像，而是使用從線粒體膜中分離出來的混合樣本，然后教授一種識(shí)別相關(guān)結(jié)構(gòu)的算法。
通過這種方式，他們能夠掃描成千上萬的蛋白質(zhì)圖像，并識(shí)別出三個(gè)大型裝配中的277個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，代表著四膜蟲在接近原子分辨率下的電子傳遞鏈。其中一些蛋白質(zhì)在已知的四膜蟲基因組數(shù)據(jù)庫中沒有匹配的基因——這表明在可用的參考基因組中一定存在空白。
萊茨說，通過揭示我們對一種相當(dāng)常見的生物的知識(shí)缺口，這項(xiàng)工作顯示了我們在生物多樣性方面的盲點(diǎn)。他說，這也顯示了這些新方法在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中作為發(fā)現(xiàn)工具的潛力。
這項(xiàng)工作的一部分是在加州大學(xué)戴維斯分校生物科學(xué)學(xué)院的生物電子顯微鏡核心設(shè)施中使用低溫電子顯微鏡進(jìn)行的。這篇論文的另外兩位作者是加州大學(xué)戴維斯分校的Abhilash Padavannil和Guo Fei。Long Zhou現(xiàn)就讀于中國杭州浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院。這項(xiàng)工作由美國國立衛(wèi)生研究院支持。
