2018 年 6 月 19 日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大清華聯(lián)合中心肖俊宇課題組與高寧課題組合作在 PNAS 上在線發(fā)表了題為“Cryo-EM structure of human mitochondrial trifunctional protein” 的研究論文。

脂肪是人體內(nèi)的重要能量來(lái)源，而脂肪酸 b - 氧化是脂肪被分解代謝進(jìn)行氧化功能的最主要途徑。線粒體三功能酶在該通路中發(fā)揮關(guān)鍵催化作用，負(fù)責(zé)催化 b - 氧化四步反應(yīng)中的三步，即長(zhǎng)鏈脂肪酸的水合反應(yīng)、脫氫反應(yīng)和硫解反應(yīng)。在人體中，線粒體三功能酶異常會(huì)引起脂肪代謝紊亂進(jìn)而造成妊娠期急性脂肪肝等致死性疾病，但人源線粒體三功能酶復(fù)合物的結(jié)構(gòu)至今為止尚未被解析。

肖俊宇課題組和高寧課題組合作，利用冷凍電鏡單顆粒三維重構(gòu)技術(shù)，通過(guò)對(duì)蛋白純化和電鏡制樣條件進(jìn)行篩選和優(yōu)化，最終首次解析了人源線粒體三功能酶近原子分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

A. TFP 三功能酶催化脂肪酸 b - 氧化過(guò)程中的三步反應(yīng)。

B. 人源 TFP 四聚體電鏡結(jié)構(gòu)。

研究表明，人源 TFP 復(fù)合物主要呈現(xiàn) a2b2 四聚體的狀態(tài)，雖然已有文獻(xiàn)和生化教科書多數(shù)認(rèn)為其為八聚體。四聚體中 a 亞基和 b 亞基之間的組裝形式與之前報(bào)道的原核同源復(fù)合物中情況截然不同，顯示了真核與原核 TFP 復(fù)合物在催化過(guò)程中有著不同的底物傳遞路徑。結(jié)構(gòu)進(jìn)一步揭示了 b 亞基中的一個(gè)高等真核生物所特有的插入?yún)^(qū)域。該區(qū)域富含正電氨基酸，可能參與和線粒體內(nèi)膜的相互作用。生化研究表明去掉該片段顯著影響 b 亞基和脂質(zhì)體的結(jié)合及在線粒體膜上的定位，驗(yàn)證了該插入?yún)^(qū)域在 TFP 復(fù)合物與膜結(jié)合中的功能。文章進(jìn)一步對(duì)大量已報(bào)道的 TFP 亞基突變進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)信息對(duì)部分突變氨基酸致病的分子機(jī)制進(jìn)行了闡述，為探尋三功能酶缺陷癥及脂肪代謝紊亂等病的分子機(jī)理奠定了基礎(chǔ)。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大清華生命科學(xué)聯(lián)合中心肖俊宇研究員為該論文的通訊作者。分子醫(yī)學(xué)研究所的陳曉偉研究員和化學(xué)與分子工程學(xué)院的王初研究員為該研究提供了重要的技術(shù)支持。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院 14 級(jí)博士生梁凱以及生命科學(xué)學(xué)院博士后李寧寧為該論文的共同第一作者。陳曉偉課題組的博士生王瀟、王初課題組的博士后戴建業(yè)、生科院 17 級(jí)博士生劉譜藍(lán)參與了該課題的研究。該項(xiàng)研究得到了蛋白質(zhì)與植物基因研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北大清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、以及國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。