Nat Commun丨徐曉玲/田長麟/于璐/辛越勇合作揭示進(jìn)化早期絲狀不放氧光合細(xì)菌琥珀酸脫氫酶的工作機(jī)制

琥珀酸：醌氧化還原酶（SQR） ， 又稱復(fù)合體 II 或琥珀酸脫氫酶（SDH），是細(xì)胞 內(nèi) 連接三羧酸循環(huán)和呼吸 電子傳遞 鏈的 關(guān)鍵 膜蛋白 。 哺乳動物線粒體和多種 原核生物 中， SQR 催化琥珀酸 氧化 并偶聯(lián) 高 電勢 醌 （如 泛醌 ） 的 還原 ，其 功能失調(diào) 引起 電子傳遞受 阻 、代謝紊亂和活性氧（ ROS ）的 過度積累 ， 誘發(fā) 神經(jīng)退行性疾病和腫瘤 等疾病的發(fā)生 。 以 低 電勢 醌 ，如 甲基 萘醌 （ MK ）為呼吸 醌 的 微生物 （如 幽門螺桿菌 、 空腸彎曲菌 、 恥垢 分枝桿菌 和枯草芽孢桿菌 等 ） 中， SQR 偶聯(lián) 琥珀酸 的 氧化 與 低 電勢 醌 的 還原 ， 此吸能反應(yīng) 在有氧呼吸和能量轉(zhuǎn)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用 。相較于 泛醌依賴的 SQR ， 但 人們對 MK 依賴 型 SQ R 的 結(jié)構(gòu)和催化機(jī)理 知之甚少。

2025 年 11 月 28 日 ，杭州師范大學(xué)徐曉玲、辛越勇課題組聯(lián)合上海交通大學(xué)田長麟教授 、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于璐課題組在 Nature Communications 發(fā)表 了 題為

Structural basis of menaquinone reduction by succinate dehydrogenase from

Chloroflexus aurantiacus

作者 首先 對內(nèi)源提取的 Ca SDH 進(jìn)行活性 測定 ， 證實(shí) 其 具有琥珀酸 ： 醌 氧化還原 酶和富馬酸還原酶 的 雙重 催化 活性 。基于 Ca SDH 在 天然狀態(tài) （ 2.62 ? ） 、脂 質(zhì) 結(jié)合 態(tài)（ 2.69 ? ） 、 MK4 結(jié)合 態(tài)（ 2.90 ? ） 和 MK7 結(jié)合 態(tài)（ 2.74 ? ） 的 高分辨率 結(jié)構(gòu) ， 發(fā)現(xiàn) Ca SDH 形成一個錐狀的三聚體，每個單體 含有 2 個親水亞基 SdhA 、 SdhB 和 1 個跨膜亞基 SdhC 。其中， SdhA 結(jié)合 FAD 和琥珀酸分子，催化琥珀酸到延胡索酸的轉(zhuǎn)化； SdhB 結(jié)合 3 個鐵硫簇（ [2Fe-2S] 、 [4Fe-4S] 、 [3Fe-4S] ） ； SdhC 含有 2 個 b - 型血紅素（ b P 和 b Q ）和 2 個 MK 結(jié)合位點(diǎn)： 一個 經(jīng)典 的 Q P 位點(diǎn) 和一個 獨(dú)特的 Q D 位點(diǎn)。 Q P 靠近 [3Fe-4S] 簇 處 ， 關(guān)鍵殘基 Asp-C118 和 Tyr-C119 在 MK 還原中 發(fā)揮 關(guān)鍵 作用 ； 而 Q D 位于 SdhC 的 周質(zhì)側(cè)， 其空間位置和構(gòu)象與以往報(bào)道的所有 SQR 均不同。 由眾多疏水氨基酸組成 的 Q D 位點(diǎn)中 ，一個非保守的 Glu64 殘基 在 MK 的結(jié)合和還原 中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 值得注意的是 ， 在 脂質(zhì)結(jié)合態(tài) 中， Q P 位點(diǎn) 被 一個十二烷基 -β-D- 麥芽糖苷（ DDM ）分子 占據(jù)，而 Q D 位點(diǎn)則 結(jié)合 一個 磷脂酰乙醇胺（ PE ） 分子 ， 提示 脂質(zhì)環(huán)境對 醌 的 結(jié)合 具有 調(diào)控作用 。

圖 1 Ca SDH 的 生理作用、 電 子順磁共振 （ EPR ） 和 電鏡結(jié)構(gòu) 。

為了明確 Ca SDH 的 電子傳遞 路徑 ， 作者 通過電子順磁共振 （ EPR ） 對金屬中心的氧化還原狀態(tài)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn) 3 個 鐵硫簇和 2 個 b - 型 血紅素均參與琥珀酸氧化和 MK 還原過程的電子傳遞 。 結(jié)合 電子傳遞 路徑 計(jì)算 和 酶 活 分析 ，作者 提 出 MK 分別 在 Q P 和 Q D 位點(diǎn)發(fā)生 還原的 電子傳遞路徑 。 C a SDH 氧化琥珀酸釋放出的電子 依次經(jīng) FAD 、 [ 2Fe-2S] 、 [4Fe-4S] 傳遞 ， 在 [ 3Fe-4S] 處發(fā)生分叉：從 [ 3Fe-4S] 傳遞 至 Q P 位點(diǎn) 的 MK 通過 Asp-C118 和 Tyr-C119 發(fā)生還原； 自 [ 3Fe-4S] 傳出 的 電子 經(jīng) 兩 個 b 型 血紅素 傳遞 至 Q D 位點(diǎn) 的 Glu 64 ， 后者 接受電子使 MK 還原 ，此電子傳遞過程需要跨膜質(zhì)子梯度的驅(qū)動 。 分子動力學(xué)模擬（ MD ）顯示， MK 4 和 MK8 在 Q D 的 結(jié)合自由能 均 低于 Q P ， 而 MK 8 較 長 的 疏水尾巴 增強(qiáng) 與 醌 結(jié)合 位點(diǎn) 的 親和力 。 C a SDH 兩個 醌 位點(diǎn)的構(gòu)象和親和力 差異 ，使 其 能夠 適應(yīng)不同 生理?xiàng)l件 下細(xì)胞膜電位的變化 。

圖 2 Ca SDH 的 醌 結(jié)合口袋、 結(jié)合自由能 與電子傳遞路徑 。

綜上所述， 本研究揭示了MK依賴型SQR一個新的醌結(jié)合位點(diǎn)和電子傳遞路徑。Ca SDH 的結(jié)構(gòu) 與 MK 依賴的 細(xì)菌 和古菌 所 含有的 雙血紅素 SQR / QFR 相似， 包括人類病原菌幽門螺桿菌和空腸彎曲菌等，其復(fù)合物均由 2 個親水亞基和 1 個含雙 b 型血紅素的 跨膜 亞基組成。 因此，該工作不僅加深了對MK依賴的SQR/QFR中氧化還原反應(yīng)和電子傳遞機(jī)制的理解，也為基于結(jié)構(gòu)的抑制劑設(shè)計(jì)和新型抗菌藥物的研發(fā)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

杭州師范大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 徐 曉 玲教授 、 上海交通大學(xué)田長麟教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)于璐 研究員 和 杭州師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 辛越勇副 研究員 為本文共同 通訊作者 。 杭州師范大學(xué) 已畢業(yè) 博士生張鑫 、 2 023 級 生物學(xué) 博士生吳婧怡 為 共同 第一作者 。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-65828-3

制版人： 十一

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