《cell》文献翻译:线粒体蛋白质组：从目录到功能

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Chris Meisinger, Albert Sickmann and Nikolaus Pfanner
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Cell 134, 22 – 24, July 11, 2008
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/ |: _0 |; s( ~5 ?1 K4 I, w    线粒体是细胞能量、代谢和信号传导的中心。Pagliarini等在本期Cell报道了迄今为止最大的哺乳动物线粒体蛋白质的综合目录。这项研究以及在酵母中的蛋白质组研究是对线粒体蛋白质组和线粒体疾病进行系统鉴定的重要一步。: `" F5 r  H5 ?5 `% e- o
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- I5 }/ k0 Y* ]8 P0 g4 [$ x1 E    线粒体是细胞的能量工厂，真核细胞使用的ATP主要是由线粒体合成，但线粒体的细胞功能并不只限于生物能量，它们在氨基酸和脂类代谢、血红素和铁-硫中心的生物合成、细胞信号传导和凋亡中都有重要功能。线粒体蛋白质由两个基因组编码。人类线粒体基因组只为13个蛋白质编码，其余99%的线粒体蛋白质由细胞核基因编码，这些蛋白质在细胞浆核糖体上以前体形式合成，然后进入线粒体。为了了解线粒体在健康和疾病中的作用，必须了解线粒体中的蛋白质组成。Pagliarini等最近报道了在编写哺乳动物线粒体蛋白质综合目录(MitoCarta)方面的重要进展。
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' t1 n1 a. v# _    早先的研究已在哺乳动物中鉴定了约700个不同的线粒体蛋白质，约为预测的线粒体蛋白质数量的一半。Pagliarini等通过实验鉴定、生物信息分析和文献数据比较，建立了一份为小鼠线粒体蛋白质编码的~1100个基因的名单。小鼠线粒体蛋白质组中有四分之一的蛋白质的生物功能仍属未知，在酵母线粒体蛋白质组中也有相同比例的未知功能蛋白质。Parliarini等分析了来自14个不同小鼠组织的线粒体中的蛋白质，这是一项重要的研究。他们在每种组织中找到了~750种不同的线粒体蛋白质，是全部组织中所发现的线粒体蛋白质的三分之一。这750种蛋白质包括氧化磷酸化(OXPHOS)机制中的主要亚基。如果考虑到线粒体蛋白质组的可能的覆盖率，那么一个特定的组织可以表达900 – 1000个不同的线粒体蛋白质。值得注意的是，上述数目与推测的酵母线粒体蛋白质的数目（~1000）相似，这说明单细胞生物和高等生物的单一组织对线粒体的组分和功能的要求类似。因此，与酵母相比，哺乳动物线粒体蛋白质组规模较大是因为哺乳动物的组织多样性。
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1 R* E9 V/ ]3 k& j    哪些方法可以可靠地鉴定线粒体蛋白质组的组分？最直接的方法是使用质谱，这需要有高纯度的线粒体制备物，或通过比较线粒体粗制品和纯化的制备物，鉴定在纯化的制备物中富集的蛋白质，在鉴定分析线粒体蛋白质时，对污染物进行定量评估。Pagliarini等从纯化的哺乳动物线粒体中直接鉴定了~710个蛋白质，只是在酵母蛋白质组的研究中鉴定了较多的线粒体蛋白质（~850）。绿色荧光蛋白(GFP)标记的蛋白已广泛用于测定蛋白质的细胞内位置。尽管全基因组标记已为蛋白质的亚细胞分布提供了重要信息，但对个别蛋白的定位研究结果还需要进一步的评估。加尾标记可干扰蛋白质的正确输入，甚至会导致蛋白质的错误定位。Pagliarini等在使用了GFP标记方法的MitoCarta数据库中只得到相对较少的线粒体蛋白质。他们整合了各种来源的数据，包括线粒体靶向信号的生物信息学预测、与已在酵母中得到鉴定的线粒体蛋白质的同源性比较以及文献搜索，得到了~1100个为线粒体蛋白质编码的基因的目录。. S, N8 s8 i) E4 I

7 f9 q" `9 k9 O3 y6 M  h    尽管对从多种来源的数据进行整合是一个重要方法，但对各种来源的数据的有效性进行评估也十分重要。蛋白质在线粒体中的定位的预测基本上是根据在低于50%的线粒体蛋白质中发现的氨基酸前导序列。各种蛋白质数据库的质量也有很大不同。例如，酵母基因组数据库为基因和蛋白质的预测设定了很高的标准，而一些高等真核生物的蛋白质组研究由于相同蛋白质多次进入数据库而高估了得到鉴定的蛋白质的数目。
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    小鼠线粒体蛋白质组有多完整？根据一套线粒体蛋白质参照物，Pagliarini等估计他们制作的目录涵盖了85%以上的为线粒体蛋白质编码的基因。考虑到鉴定错误的比率为~10%，他们计算出小鼠可能有~1130个真正为线粒体蛋白质编码的基因。但Paliarini进行的质谱分析没有鉴定出所有已知OXPHOS机制中的蛋白质亚基，而在一项酵母线粒体蛋白质组的研究中（覆盖率为~84%），鉴定出了所有已知的OXPHOS亚基。酵母线粒体蛋白质参照物包括许多通过遗传学鉴定的极低丰度蛋白质，而小鼠使用的线粒体蛋白质参照物包括许多高丰度蛋白质。值得注意的是，在第一次酵母线粒体大规模蛋白质组研究中（~750个蛋白质），根据那时所拥有的参照物，计算出的覆盖率为90%。然而，根据新的参照物，其后的研究鉴定出~850个蛋白质(PROMITO资料组)，计算出的覆盖率为84%。这使目前估计的酵母线粒体蛋白质数目为~1000个（根据目前的计算，第一次研究的覆盖率为~75%）。尽管Pagliarini等确实进行了至今为止最全面的哺乳动物线粒体蛋白质组研究，但我们推测线粒体蛋白质的覆盖率可能低于85%，为线粒体蛋白质编码的哺乳动物基因总数可能接近1500。# v6 m5 ?) Z; C1 i9 T, E

+ q0 F2 C) H; `0 ]* G! a    现在面临的挑战是如何使用这个详细清单，测定单个蛋白质怎样发挥功能，怎样整合进入网络。酵母的全基因组范围基因删除和同源性搜索为许多新线粒体蛋白质功能的分类铺平了道路。在酵母中进行的大规模蛋白质网络分析支持这些研究。使用RNAi的大规模研究可帮助在哺乳动物中确定新发现的线粒体蛋白质的功能。Pagliarini等使用分类图谱鉴定参与线粒体呼吸链复合物I组装的新蛋白质因子。哺乳动物呼吸链复合物I含有~45个不同的亚基，它们通过一个复杂的多步骤过程在线粒体内膜上组装。Pagliarini等构建了一个包括40多个真核生物的进化树，由此分析了呼吸链复合物I的亚基。他们发现曾经存在于线粒体细菌祖先中的呼吸链复合物I在进化中至少丢失过4次，这种情况在几种酵母中存在过。假定丢失复合物I的种属也丢失了该复合物的组装因子，Pagliarini鉴定出19个蛋白质有相同的进化史。他们通过实验表明这19个蛋白质中的几个是复合物I发挥功能所必需的。更重要的是，他们鉴定了一个新基因(8orf38)，该基因在复合物I引起的人类遗传疾病中发生突变。这类研究证实大规模鉴定方法与精细分析的结合可在单个蛋白质水平得到重要的新发现。, c' ?* u4 G) n( K- i6 N

5 u! ?! T. ?$ Y    线粒体不是与细胞其他部分联系很少的独立细胞器，而是整合进入其他细胞区室的功能、代谢和信号传导网络中。另外，在高等和低等真核生物中不断发现有某些（10%以上）线粒体蛋白质在细胞内具有两个位置。进一步的挑战包括分析在线粒体亚区室中组成大复合体的超分子实体、鉴定线粒体信号传导网络以及找出这些网络在细胞中是怎样整合的。3 K9 g' P. v* L( Y+ B% h

' {' D1 q* Q# R8 R0 R; D) a本文转自建人先生原创，感谢