线粒体氧化磷酸化系统的组装、调控与功能：最新研究进展综述

作者及机构
本文由Irene Vercellino与Leonid A. Sazanov合作撰写，两人均来自奥地利克拉福根的科学与技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）。文章于2022年2月发表于期刊*Nature Reviews Molecular Cell Biology*（卷23，第141-161页）。

主题概述
本文是一篇系统性综述，聚焦于线粒体氧化磷酸化系统（oxidative phosphorylation, OXPHOS）的核心机制，重点探讨了电子传递链（electron transport chain, ETC）五大复合体（CI–CV）的组装过程、功能调控及其在生理与疾病中的作用。文章整合了近年来冷冻电镜（cryo-EM）结构解析、超复合体（supercomplexes）组装模型及代谢调控等领域的关键发现，旨在为理解细胞能量代谢的分子基础提供全面视角。

主要观点与论据

1. 电子传递链复合体的结构与功能机制

线粒体ETC由五个复合体（CI–CV）和两个移动电子载体（泛醌和细胞色素c）组成，其核心功能是通过氧化还原反应建立质子梯度以驱动ATP合成。
- 复合体I（CI）：作为最大的ETC复合体（约1 MDa），CI通过NADH氧化和醌还原耦合质子泵送。最新高分辨率结构揭示了其“静电波”机制（electrostatic wave），即醌结合位点的构象变化通过中央亲水轴传递至抗转运蛋白亚基（ND2、ND4、ND5），实现质子跨膜转运。
- 复合体II（CII）：连接克雷布斯循环与ETC，催化琥珀酸氧化为延胡索酸，并将电子传递给泛醌。其膜锚定亚基（SDHC/SDHD）中的血红素虽无催化功能，但对复合体稳定性至关重要。
- 复合体III₂（CIII₂）：通过Q循环（Q cycle）机制氧化泛醌醇并还原细胞色素c，同时泵送质子。其二聚化结构是电子分岔（electron bifurcation）的必要条件。
- 复合体IV（CIV）：利用细胞色素c的电子将氧气还原为水，并通过K/D路径（K/D pathways）泵送质子。近期研究否定了哺乳动物特异的H路径假说。
- 复合体V（CV）：即ATP合酶，利用质子梯度合成ATP。其c环（c-ring）旋转机制及二聚化对线粒体嵴（cristae）形态的调控是近年研究热点。

支持证据：
- 冷冻电镜结构（如CI的2.5 Å分辨率结构）揭示了醌结合位点与质子通道的分子细节。
- 复合体II的双醌结合位点争议通过生化实验（如突变分析）明确仅基质侧位点具有催化活性。

2. 复合体组装与超复合体形成的互作机制

ETC复合体的组装需要核与线粒体双基因组编码的亚基协同，并依赖大量辅助因子（如铁硫簇、血红素）和组装因子（assembly factors）。
- 组装层级：
- CI的组装分为6个模块（如N模块、Q模块），由20余种组装因子（如NDUFAF1–7）分步调控。
- CIV的组装涉及近50种因子（如COA1–3、SCO1–2），其亚模块（mt-CO1/2/3）独立形成后整合。
- 超复合体（supercomplexes）：如呼吸体（respirasome, CI₁CIII₂CIV₁）和CIII₂CIV，其形成与复合体组装中间体相关。例如，CI的PD-a模块即可与CIII₂/CIV结合，提示超复合体可能通过“组装平台”功能调控ETC稳态。

支持证据：
- 缺乏CIV核心亚基（mt-CO1/2）的细胞仍能形成超复合体，表明不完全组装的复合体可参与超复合体构建。
- 超复合体特异性因子SCAF1（COX7A2L）的缺失会导致CIII₂CIV组装缺陷，并影响运动能力与代谢表型。

3. 超复合体的生理功能争议

超复合体的功能尚未完全明确，现有假说包括：
- 底物通道（substrate channeling）：通过空间邻近性优化电子传递效率，但生化实验显示泛醌与细胞色素c仍可自由交换。
- ROS调控：超复合体可能减少电子漏泄从而降低活性氧（ROS）产生，但不同组织（如心脏与肝脏）的超复合体分布差异使得结论存疑。
- 组装质量控制：超复合体通过稳定复合体中间体（如CI的PD-a模块）防止错误折叠或降解。

支持证据：
- 酵母CIII₂CIV结构显示，复合体界面存在脂质分子，可能介导电子传递的空间隔离。
- SCAF1过表达与肝癌进展相关，提示超复合体失衡可能促进肿瘤代谢重编程。

4. ETC调控与疾病关联

ETC功能受代谢状态（如NAD⁺/NADH比例、氧浓度）和组装因子突变的影响，其失调导致多种疾病：
- 线粒体疾病：如Leigh综合征（CI缺陷）、Leber遗传性视神经病变（ND亚基突变）。
- 癌症：琥珀酸脱氢酶（CII）突变导致琥珀酸积累，通过抑制HIF1α羟化酶促进肿瘤发生。
- 炎症与衰老：CIII₂缺陷会破坏调节性T细胞功能，而CI驱动的ROS过量加速细胞衰老。

支持证据：
- 复合体II（SDH）突变与副神经节瘤（paragangliomas）的强关联性已被全外显子测序证实。
- 细胞色素c（cyt c）的双重角色（ETC电子传递 vs. 凋亡信号）通过基因敲除模型验证。

论文的意义与价值

本文的价值在于：
1. 整合多学科进展：通过结构生物学（冷冻电镜）、生物化学（组装因子功能）和生理学（组织特异性调控）数据，构建了ETC研究的全景框架。
2. 提出新范式：超复合体作为“组装检查点”的假说为理解ETC质量控制提供了新视角。
3. 指导应用研究：ETC调控机制为靶向代谢疾病（如癌症、神经退行性疾病）的药物开发奠定基础。

亮点：
- 系统性梳理了ETC复合体的最新高分辨率结构及催化机制。
- 强调了超复合体在组装调控中的非经典功能，挑战了传统的“底物通道”理论。
- 链接基础发现与临床表型（如SCAF1在癌症中的作用），凸显转化潜力。

（注：全文约2000字，符合要求范围）