Science: 분지균 에너지 대사 메커니즘을 구조적으로 제시

새로운 연구에서 중국과학원 생물물리연구소의 라오쯔와 (Zihe Rao) 원사, Quan Wang 연구원, 쑨페이 (Fei Sun) 연구원과 동료들은 치석분지균 (Mycobacterium smegmatis) 의 호흡사슬 슈퍼복합물 (respiratory supercomplex) 을 분리하고 저온선글라스 (cryo-EM) 를 이용해 3차원 구조를 시각화했다.이런 세균은 결핵 분지균과 밀접한 친연 관계가 있을 뿐만 아니라, 많은 것을 연구하는 데 쓰인다박테리아종의 유행 모델.이런 상세한 구조는 전자가 지금까지 관찰할 수 없었던 과정에서 어떻게 세포 내에서 전달되는지를 보여준다.관련 연구 결과는 2018년 10월 25일 사이언스(Science) 저널에'An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex'라는 제목의 논문으로 온라인 발표됐다.

일반적으로 세포가 호흡하는 동안 에너지 공급원 (당, 지방산 및 아미노산) 의 산화는 전자 수용체 (산소, 황, 질산염 및 황산염) 의 환원과 우연히 연결되어 있으며, 여기에서 화학 에너지를 얻어 삼린산 아데노신 (ATP) 을 합성하고 세포 반응을 구동할 수 있다.유산소세포의 호흡에서 이런 화학에너지의 생성방식은 전자공급체가 전자전달사슬 (electron transport chain, ETC) 을 통해 말단전자수용체로 전달될 때 양성자동력세 (proton motive force, PMF) 라고 하는 다막양성자경도를 산생하는데 이 양성자동력세는 ATP합성을 구동할수 있다.이 새로운 연구에서 이 연구자들은 효소간의 전자전달에 직접적인 련관성이 존재한다는것을 밝혀냈는데 이는 새로운 호흡사슬촉매모식을 대표한다.

사진은 Science, doi: 10.1126/science.aat8923 입니다.

퀴논 과 세포 색소 는 전자 전달 사슬 의 두 가지 유형 의 전자 이다캐리어, 필름에 박힌 큰 분자 구조 사이에서 전자를 전달하는 데 사용됩니다.네 가지 막산화환원효소는 미토콘드리아 호흡사슬의 전자전달에 참여한다.이들은 복합체 I (NADH: 범퀴논산화환원효소, CI), 복합체 II (호박산: 범퀴논산화환원효소, CII), 복합체 III (bc1형 범알코올;세포색소 c산화환원효소, bc1형 CIII)와 복합체 IV(aa3형 세포색소 c산화효소, aa3형 CIV).기능적으로 복합체 CIII는 범알코올을 범퀴논으로 산화시켜 가용성 세포색소인 c에 전자를 전달할 수 있다. 전자는 이후 복합체 CIV로 전달되고, 그곳에서 산소는 물로 환원된다.타막 PMF는 복합체 CI, CIII 및 CIV의 양성자 펌프를 통해 생성됩니다.

원핵생물의 호흡사슬에서는 상황이 더욱 복잡하다.이런 복잡성 때문에 아직 원핵생물의 세포에서 완전한 전자 전달 경로를 확정하지 못했다.따라서 참여를 이해할 필요가 있습니다.박테리아전자가 전달하는 호흡 체인 슈퍼 복합체의 완전한 구조이 새로운 연구에서 이 연구자들은 치석분지균에서 이 호흡사슬슈퍼복합물을 추출하고 순화시켰으며 저온선글라스기술을 리용하여 3.5의 해상도에서 그 구조를 시각화하여 관찰했다.이런 구조는 이런 호흡사슬의 슈퍼복합물중의 전자직접전달메커니즘을 밝히는데 중요한 견해를 제공해주었다.이 호흡 체인 슈퍼 복합체의 크기는 200 × 70 × 120 Å의 범위 내에서 일종의 대칭적인 선형 구조로 존재하는데, 이 * 는 이전에 보도된 호흡 체인 슈퍼 복합체와 다르다.구성상 선형 CIV1-CIIII2-CIV1 2중합체는 이렇게 배열되어 있어 단일 복합체 CIV1이 중앙의 복합체 CIII2 2중합체의 양쪽에 위치한다.이 정보는 전자 전달 과정에서 효소 사이에 직접적인 연관성이 있음을 보여주며 이는 새로운 호흡 체인 촉매 패턴을 나타냅니다.이런 상세한 구조발견은 분지균에 저항하는 약물발견사업을 협조할수 있는 잠재력이 있다.

세균세포배양실험기간에 이런 연구자들은 결핵분지균과 류사한 과산화수소저항성 치석분지균돌연변이주를 사용하였다.이러한 박테리아 세포를 배양하고 이전에 설명 된 방법 (Microbiology, 2006, 152: 823-829, doi: 10.1099/mic.0.28723-0) 에 따라 세포막을 분리합니다.세균세포를 배양, 수집, 분해한후 그들의 세포막침전을 수집한후 이어서 세포막중의 호흡사슬슈퍼복합물을 추출한다.그들은 그 후 분광학적 방법, 질량 분광법 및 3,3'-이-아미노 아닐린 (DAB) 염색법을 이용하여 이 호흡 체인 슈퍼 복합체의 특징을 묘사했다.헤모글로빈 기단을 감정하기 위해 이전 방법(Journal of Biological Chemistry, 2015, doi: 10.1074/jbc.M114.624312)에 따라 그들은 중대이황산염이 환원되기 전과 후에 스펙트럼을 기록하여 선택한 일부 샘플을 분석했다.그들은 천연 질량 분광법을 사용하여 순화된 호흡 체인 슈퍼 복합체 샘플을 분석하여 그것의 구조를 연구하고 이전에 세운 것을 사용한다실험 방법이 호흡 체인 슈퍼 복합체의 단일 구조 구성을 분석합니다.

저온 선글라스 분석 기간 동안 이들 연구진은 아세트산 이산화우라늄(1%·w/v)을 사용해 5μl 농도 0.05mg/ml의 치석분지균 호흡기체인 슈퍼복합체 시료를 음염색한 뒤 120kV에서 작동하는 FEI Tecnai Spirit 현미경을 이용해 초기 구조모델 구축에 사진을 촬영했다.이들은 자체 염색한 호흡기 체인 슈퍼 복합체 샘플의 현미경 사진 53장을 처리해 이 호흡기 체인 슈퍼 복합체의 저해상도 구조를 재구성했다.* 이 호흡 체인 슈퍼 복합체의 구조를 재건하기 위해 그들은 저온 선글라스 사진 처리 기간 동안 8200장의 원본 사진 중 7600장을 수동으로 선택했다.이 연구의 모든 그림은 PyMOL 또는 UCSF chimera를 사용하여 만들어졌습니다.

이 연구자들은 치석 분지균 CIII-CIV 호흡 체인 슈퍼 복합체의 저온 선글라스 구조를 밝혀냈다.이 호흡 체인 슈퍼 복합체 내부의 전자 전달 경로의 범위는 복합체 CIII의 퀴놀 (quinol) 에서 복합체 CIV의 산소로 산화되어 환원됩니다.이러한 연구 결과는 퀴논 순환 (Q cycle, 즉 양성자가 지질 이중을 통과하는 순운동) 을 완료하여 에너지 전환을 달성 할 수있는 새로운 포크 전자 전달 메커니즘을 보여줍니다.산화물 분해효소(SOD)는 이 호흡기 체인 슈퍼 복합체 조립에 직접 관여해 활성산소(ROS)의 산화 손상으로부터 보호할 수 있다.퀴논 결합 위치의 분포도 미래에 구조 기반 항미생물 약물을 개발할 수 있는 틀을 제공한다.바이오밸리

참고 자료:

Hongri Gong1,*, Jun Li2,3,*, Ao Xu et al. 전자 전송 경로는 미코박테리아 호흡 초복합체의 하위 단위를 연결합니다.과학, 온라인 게시: 2018년 10월 25일, doi:10.1126/science.aat8923.