2005年,清华大学生命科学与医学研究院副院长、中科院生物物理研究所所长饶子和院士领导的联合研究小组,在《细胞》杂志上发表了题为《线粒体呼吸链膜蛋白复合物II晶体结构》的研究论文。这是该刊25年来首次完整发表中国科学家的原创性成果,标志着中国结构生物学走向世界前沿。
线粒体复合物II(琥珀酸脱氢酶)是呼吸链中唯一既参与三羧酸循环又直接与电子传递链偶联的膜蛋白复合体。 该研究成功解析了由四种不同蛋白质组成的线粒体复合物II的精细三维结构(分辨率达到2.4 Å),呈现出如鲜花般盛开的q形构象。这是世界上首次获得完整线粒体复合物II的膜蛋白结构,填补了细胞生物学与生物化学教科书的空白。
研究过程充满挑战。团队使用猪心作为原材料,消耗近百颗猪心,凭借同步辐射光源(美国阿贡国家实验室)采集高分辨率数据。从送稿到发表仅耗时不到3个月,远低于同类高水平论文的平均周期。第一作者孙飞(当时为饶子和博士生)表示:“科学竞争没有银牌,要争取金牌,就必须与时间赛跑。”
该结构为研究线粒体相关疾病(如Leigh综合征、遗传性副神经节瘤、某些神经退行性疾病)提供了真实可用的分子模型。 复合物II的突变与多种代谢性疾病和肿瘤发生密切相关,其三维结构的揭示有助于理解突变致病的分子机制,并为靶向药物设计奠定基础。
自该成果发表以来,中国结构生物学领域快速发展。饶子和院士团队随后又在膜蛋白复合体I、III、IV以及超级复合体方面取得一系列突破。如今,冷冻电镜技术(Cryo-EM)的兴起更是极大推动了膜蛋白结构解析的效率,但该早期工作仍被视为经典范例——证明了传统X射线晶体学在膜蛋白研究中的巨大潜力,以及中国科学家在基础原创性研究中的实力。
饶子和在回顾时指出:“纯探索性研究难以提前立项,希望国家持续支持这类高风险、高回报的科学探索。” 他亦强调团队中年轻研究生的贡献,认为“感到学生比自己强是最高兴的事”。该研究的成功也得益于清华大学与中科院生物物理研究所的长期投入,以及广泛的国际合作(如将学生送往日本、欧美学习前沿技术)。
该研究成果不仅提升了中国在结构生物学领域的国际地位,更激励了一代青年科学家投身基础科学。 时至今日,线粒体复合物II的结构与功能仍是研究热点,而这篇《细胞》论文作为开山之作,其科学价值与历史意义历久弥新。
(本文基于2005年《北京晚报》报道及后续领域进展综合整理)