5月29日，南京中医药大学朱家鹏教授携手耶鲁大学张凯教授的研究团队在国际顶级科学期刊Nature上发表了题为“High-resolution in situ structures of mammalian respiratory supercomplexes”的研究论文。文章第一作者为南京中医药大学医学院2022届毕业生郑婉博士。该研究在全球范围内首次实现了对线粒体原位膜蛋白的超高分辨结构解析，被视作线粒体呼吸链和结构生物学领域的双重重大研究进展。
众所周知，线粒体是产生维持细胞活动所需能量的细胞器，是细胞能量代谢和营养代谢的中心，线粒体涉及细胞内稳态、细胞衰老、凋亡、信号转导、电解质平衡等多种重要生命活动。“线粒体功能障碍与多种严重疾病相关，包括代谢性、心血管、神经退行性和神经肌肉疾病。就像要了解汽车发动机内部结构才能了解其运行规律一样，线粒体对生命活动如此重要，也应当研究清楚其内部结构。”郑婉博士介绍，线粒体是一种双膜结合结构，由外膜、膜间空间、内膜和基质组成。线粒体在通过氧化磷酸化过程中的ATP能量生产中发挥关键作用，该过程在内膜中通过一系列呼吸复合体进行，一般将这种复合体称为呼吸链。
从19世纪末科学家首次通过显微镜观察到细胞内的“颗粒”或“丝状体”起，人们对线粒体的探索便从未停歇。但长久以来，线粒体内部结构的极端复杂性和动态性使得捕获其真实结构和反应机制成为一项艰巨的任务。
由于线粒体中蕴含着无数的蛋白，在以往研究中，观察呼吸链如何作用只能通过提纯的方式，将线粒体中的蛋白分离出来后观察。就仿佛在一片沙滩上，只有将某粒沙子拾起，才能完整观察到沙子的全貌一样。但和沙子不同的是，呼吸链的蛋白质在不断反应之中，将其中的某个蛋白提纯后脱离了原本的环境，也就无从观察其反应，研究显然是相对有缺失的。
“本研究使用的方法把样品制备方法大大简化，直接用线粒体成像。”朱家鹏介绍，但是这种情况下，想要研究的蛋白就恰如一粒沙子淹没在千万颗沙粒中，无从找起。本研究通过精心的样品制备和后续充满技巧的数据处理，把想要研究的沙子的信号从茫茫沙海中分离出来。朱家鹏和张凯教授团队改良后的冷冻电镜技术与数据分析方法，使局部分辨率达到1.8埃的原子分辨率，可以直接让蛋白质在线粒体天然膜环境中被观测到，同时能捕捉到其在反应过程中的中间体状态。“我们的研究聚焦于捕获呼吸超复合体的反应中间体，揭示了复合体反应的关键过程。这些发现提供了有价值的结构，展示了线粒体能量生产及其调控的动态本质。”至此，仿佛在半空中俯视这片“生命的沙滩”，每一粒沙如何被风吹动，又如何与其他的沙产生关联，都能看得一清二楚。
再往前探索一步，为了评估病理条件对这些复合物的影响，朱家鹏团队还对猪心脏进行了模拟不同级别心肌缺血的各种处理。他解释道，缺血的状态下，线粒体中的蛋白质会变为非活性状态，以往研究中因为提纯使得蛋白质脱离原生环境，无法确认其非活性状态是由提纯造成的还是病理性变化造成的，此次研究中直观地观测到心肌缺血造成了蛋白质的非活性状态，在线粒体内的生理条件下确定反应蛋白结构，从而调查多种线粒体疾病和药理治疗的影响成为可能。这种发现揭示了线粒体内部复杂的调节机制和相互作用，有助于学者们更深入地理解细胞在应激条件下如何调整其能量代谢过程。
更值得一提的是，这种改良后的技术和数据分析方式为后续研究提供了更多的可能。“我们的原位方法可以扩展到各种细胞器，如纤毛、叶绿体、高尔基体和溶酶体内天然膜蛋白复合体的结构研究。”还可以拓展到心肌缺血外其他疾病的研究中去，这是对生命本质认识的一次革命性进步，将为未来的医学研究和治疗策略带来无限可能。（新华日报 记者：蒋明睿）
