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线粒体电子传递链（mETC）对寄生虫生存至关重要，但其在顶复门寄生虫中的功能机制尚不明确。研究人员解析了弓形虫 III2–IV 超复合体及药物靶点复合体 II2III2的冷冻电镜结构，揭示超复合体独特架构，为抗寄生虫药物开发提供新方向。
在生命科学和医学领域，寄生虫引发的疾病一直是研究的重点和难点。顶复门寄生虫如弓形虫，其线粒体电子传递链（mETC）是维持寄生虫生存的关键系统，但该系统的结构组成和功能机制尚未完全明确。尤其是呼吸链超复合体的具体架构、组装方式以及与药物相互作用的分子基础，仍存在诸多未知，这极大地限制了针对这类寄生虫的药物开发。因此，深入探究顶复门寄生虫呼吸链超复合体的结构与功能，对于理解寄生虫生存机制和开发新型抗寄生虫药物具有重要意义。
为解决上述问题，来自英国格拉斯哥大学、美国波特兰退伍军人医疗系统等机构的研究人员，对弓形虫（Toxoplasma gondii）的呼吸链超复合体展开了系统研究。相关研究成果发表在《Nature Structural & Molecular Biology》上。
研究人员主要运用了冷冻电镜（cryo-EM）技术，解析了弓形虫 III2–IV 超复合体以及药物靶点复合体 II2III2（CIII2）的高分辨率结构。同时，通过基因敲除（KO）实验，研究了超复合体组装对寄生虫适应性的影响，并结合药物结合实验，分析了抗疟药物阿托伐醌（atovaquone）和内 chin 样喹诺酮（ELQ-300）与复合体的相互作用机制。
超复合体架构与额外亚基的作用
通过冷冻电镜，研究人员在 2.8? 分辨率下解析了弓形虫 III2–IV 超复合体结构。该超复合体分子量达 960 kDa，包含 37 个亚基，其中 13 个为顶复门保守亚基。复合体 IV（CIV）显著增大，含有 11 个保守亚基及大量分支特异性亚基延伸，分子量达 405 kDa，远大于哺乳动物同源复合体（207 kDa）。结构显示，CIV 跨膜区相对于 CIII2膜平面倾斜约 20°，形成独特的 “扭结” 架构，这一结构由 CIII2的 TgQCR12 和 CIV 的 ApiCox7 等分支特异性亚基介导，与哺乳动物和酵母的扁平架构明显不同。该扭结架构与弓形虫线粒体特有的球状嵴结构相适应，表明超复合体在不同真核生物谱系中独立进化。
分支特异性界面与寄生虫适应性
基因敲除实验表明，ApiCox10 缺失导致 III2–IV 超复合体解聚，但 CIII2和 CIV 单体仍保持完整。功能分析显示，超复合体解聚不影响线粒体膜电位、氧化还原状态及氧消耗率，但导致寄生虫在竞争生长实验中适应性显著下降。这表明超复合体的主要功能并非提升电子传递效率，而是通过维持结构稳定性或促进其在弯曲嵴膜上的定位，赋予寄生虫生存优势。
寄生虫特异性药物结合的结构基础
阿托伐醌与 ELQ-300 均靶向 CIII2的 Cyt-b 亚基。结构显示，阿托伐醌通过其氯苯基与 Cyt-b 的 Y272 等顶复门特异性残基形成芳香堆积作用，选择性抑制弓形虫 CIII2的 Qo位点。ELQ-300 在顶复门结合位点的取向与哺乳动物酶中的相关化合物相反，其 4-(1H)- 喹诺酮基团通过氢键与 H197 和 D223 结合，并通过延长的 7 - 乙氧基取代基深入特异性水口袋，显著提升结合效力。基于此，研究人员设计出效力达纳摩尔级的新型 ELQ 衍生物（如 ELQ-627，EC50=0.1 nM）。
研究结论与意义
本研究首次揭示了顶复门寄生虫呼吸链超复合体的独特结构与组装机制，证明其架构与哺乳动物存在显著进化差异，且超复合体对寄生虫适应性至关重要但不直接影响电子传递效率。药物结合机制的解析为开发高效、低毒的抗寄生虫药物提供了精准靶点，特别是基于结构设计的新型 ELQ 化合物，有望成为治疗弓形虫等顶复门寄生虫病的新一代药物。该研究不仅深化了对线粒体超复合体功能多样性的理解，也为抗寄生虫药物研发开辟了新路径，具有重要的基础研究和临床转化意义。
