ANGEW CHEM INT EDIT：一种可利用两种电子供体的特殊血红素-铜终端氧化酶的结构解析
2021年3月，中国科学院生物物理研究所、 德国马克斯-普朗克研究所、中科脂典的相关研究人员在《Angewandte Chemie International Edition》（IF: 13）发表了题为“The unusual homodimer of a heme-copper terminal oxidase allows itself to utilize two electron donors”的研究论文，揭示了一种来自超嗜热菌的特殊的血红素-铜终端氧化酶，既能氧化细胞色素c又能氧化氢醌的独特催化机制。
呈现了AaCcO在3.4Å分辨率下的的电子冷冻显微结构。 发现了由亚基I（CoxA2）介导的新型二聚体结构，揭示了其既能氧化细胞色素c又能氧化氢醌的独特催化机制。 发现了AaCcO的质子通道和氧气通道的独特结构特征。
血红素-铜终端氧化酶（HCOs）家族蛋白是一类重要金属蛋白酶，负责高效催化电子从细胞色素c或氢醌传递给氧分子，将氧气还原为水。该家族成员是多亚基复合物，其保守的中心催化亚基I结合有两个血红素基团和一个铜原子（CuB），其中铜原子与高自旋血红素的铁原子形成双核中心，亚基II通常结合有两个铜原子，形成双核中心。 细胞色素c氧化酶（CcO）属于HCOs家族成员，先前的研究显示，它一般只能使用细胞色素c作为电子供体。不同物种间的细胞色素c氧化酶结构上存在显著差异，包括亚基数目、亚基I/II的跨膜螺旋数、质子通道及氧气通道结构特征等，探究这些细胞色素c氧化酶的不同结构，可揭示该蛋白的进化趋势和发挥不同生物学功能的结构基础。 Aquifex aeolicus（A. aeolicus）是一种嗜热自养型细菌，能适应多种极端环境。先前的研究发现，来自A. aeolicus的细胞色素c氧化酶AaCcO属于B族HCO，有趣的是，其可以同时使用细胞色素c和氢醌作为电子供体，但催化机制和进化上的意义仍不清楚。
为了深入了解AaCcO的分子机制，并了解AaCcO如何在超嗜热生长条件下调整其结构以保持其稳定性和活性，研究人员从天然的细胞膜中纯化AaCcO，并使用单粒子电子冷冻显微镜（cryo-EM）在3.4Å分辨率下测定其结构。
AaCcO的整体结构
研究人员发现了由亚基I（CoxA2）介导的AaCcO的新型二聚体结构，在靠近细胞质侧的界面上发现一个疏水腔，被许多脂质分子占据。两个PEs（磷脂酰乙醇胺）和两个PGs（磷脂酰甘油）脂质分子在空腔中被识别，在附近还发现了四个PGs。有趣的是，在二聚体界面处，有两个底物氢醌分子（NQ）紧密结合在复合体上，形成一条潜在的电子传递链，使得整个细胞色素c氧化酶在氧化细胞色素c的同时又能氧化氢醌。研究人员随后对样品中共纯化脂质进行脂质组学分析，证实了PE和PG的确切化学成分，并对天然A.aeolicus细胞膜进行了质谱分析，确定天然醌分子为VII-四氢多烯基-1,4-萘醌。
二聚体界面
从Aquifex aeolicus中鉴定脂质和醌
AaCcO的潜在醌结合位点
进一步的结构分析比较表明，AaCcO的结构变异可以提高结构稳定性，改变质子转移途径和氧扩散途径，其质子通道效率显著降低，而氧气通道效率增加，以适应超嗜热生长环境。
AaCcO中的氧气通道
综上所述，该研究解析了嗜热细菌Aquifex aeolicus细胞色素c氧化酶的3.4Å结构，揭示了该氧化酶同时以细胞色素c和醌为电子供体的分子机制，并对其热稳定性进行了结构分析，揭示了细胞色素c氧化酶在极端环境下的进化适应性。这些结果为极端热环境下细胞色素c氧化酶的分子机制和进化意义提供了结构基础。
