線粒體是細(xì)胞能量學(xué)、代謝、信號(hào)傳導(dǎo)和質(zhì)量控制的關(guān)鍵細(xì)胞器，參與多種細(xì)胞功能[1]。為了實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜的生物功能，線粒體參與了一個(gè)高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，線粒體功能障礙已被連接到一系列廣泛的人類疾病表型[2]。迄今為止，一個(gè)高可信度的人類線粒體蛋白質(zhì)組及其動(dòng)力學(xué)尚未被定義。

2021年11月19日，德國弗萊堡大學(xué)Bettina Warscheid、Nils Wiedemann等研究人員在Cell Metabolism（IF=27.287）雜志上發(fā)表了題為 Quantitative high-confidence human mitochondrial proteome and its dynamics in cellular context 的文章，分類了人類細(xì)胞線粒體制備中的8000個(gè)蛋白質(zhì)，并定義了1100個(gè)蛋白質(zhì)的線粒體高信度蛋白質(zhì)組 (MitoCoP)。

研究人員鑒定了轉(zhuǎn)位酶、呼吸鏈和ATP合酶組裝因子的相互作用因子。MitoCoP蛋白的豐度為6個(gè)數(shù)量級(jí)，占細(xì)胞蛋白質(zhì)組的7%，其中伴侶蛋白HSP60-HSP10是最豐富的線粒體蛋白。MitoCoP動(dòng)力學(xué)跨越三個(gè)數(shù)量級(jí)，半衰期從幾個(gè)小時(shí)到幾個(gè)月，表明生物合成和裝配過程的快速調(diào)控。MitoCoP基因與人類疾病，尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和代謝疾病的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)。MitoCoP的鑒定為在不同細(xì)胞環(huán)境中研究線粒體的動(dòng)態(tài)、功能和功能障礙提供了高度可信的數(shù)據(jù)來源。

圖1 圖解摘要

為建立人類線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)的高清圖譜，研究人員采用多維分類方法，將不同純度的線粒體制劑的消減蛋白組學(xué)、空間蛋白組學(xué)的互補(bǔ)優(yōu)勢結(jié)合起來。通過高嚴(yán)格性的過濾步驟，研究人員在HEK293T、HeLa、Huh7和U2OS細(xì)胞中確定了包括異構(gòu)體在內(nèi)的1274個(gè)線粒體和線粒體相關(guān)蛋白，證實(shí)了MitoCoP的有效性。

為評(píng)估MitoCoP蛋白的絕對(duì)豐度，研究人員將總蛋白方法與純線粒體組分的豐度測量相結(jié)合，確定了每個(gè)細(xì)胞中8436個(gè)蛋白的拷貝數(shù)。根據(jù)人類線粒體蛋白質(zhì)組功能分類，代謝相關(guān)蛋白占據(jù)了最大的功能蛋白類別（圖3A），反映了線粒體參與發(fā)生的眾多生化過程。MitoCoP的很大一部分蛋白參與線粒體基因組的維持和表達(dá)，但僅編碼13個(gè)蛋白質(zhì)。氧化磷酸化（OXPHOS）亞基和參與蛋白成熟和分子伴侶HSP60/10折疊的因子具有高豐度，HSP60/10是豐度最高的線粒體蛋白（圖3B）。參與調(diào)控過程、信號(hào)傳導(dǎo)、質(zhì)量控制和膜動(dòng)力學(xué)的蛋白質(zhì)通常豐度較低。在全細(xì)胞環(huán)境下，MitoCoP代表了細(xì)胞總蛋白質(zhì)組的7%。然而，由于中樞線粒體機(jī)制和過程中的高表達(dá)蛋白（如OXPHOS，線粒體核糖體)，線粒體蛋白質(zhì)的中位豐度比非線粒體蛋白質(zhì)高2倍（圖3C）。

圖3 MitoCoP的功能和絕對(duì)定量描述

研究數(shù)據(jù)顯示，即使在相同的蛋白質(zhì)復(fù)合物或生物合成途徑中，線粒體蛋白質(zhì)的半衰期也存在巨大差異。在中樞線粒體機(jī)制或通路中發(fā)現(xiàn)了許多短半衰期的成分，例如：參與線粒體融合和裂變的蛋白質(zhì)也主要是短周期蛋白 (圖4A-B) ，表明了控制線粒體膜動(dòng)力學(xué)的機(jī)制的翻譯后調(diào)節(jié)；五種氧化磷酸化復(fù)合物的亞基在半衰期上也顯示出相當(dāng)大的差異（圖4B）；參與CoQ生物合成的酶壽命非常短，這表明整個(gè)生物合成途徑都與快速的生物合成及其組分的周轉(zhuǎn)有關(guān)。

圖4  人類線粒體組織網(wǎng)絡(luò)的蛋白質(zhì)半衰期圖

研究人員分析了MitoCoP基因與疾病的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)超過40% 的基因與人類疾病相關(guān)(圖5A)。根據(jù)人類線粒體蛋白質(zhì)組的功能分類，對(duì)MitoCoP疾病相關(guān)基因的分析表明，編碼代謝類蛋白和OXPHOS的基因是豐度最大的兩個(gè)疾病相關(guān)基因（圖5B）。臨床數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)基因與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病(＞80%)和代謝疾病(＞70%)相關(guān)(圖5C)。對(duì)人類線粒體蛋白質(zhì)組的功能分類和疾病相關(guān)觀察的發(fā)生進(jìn)行系統(tǒng)繪制，結(jié)果顯示88%的復(fù)雜V型疾病基因與心血管觀察相關(guān)（圖5C)，這反映了心臟對(duì)ATP供應(yīng)的強(qiáng)烈依賴。該分析還強(qiáng)調(diào)了復(fù)雜II疾病基因與腫瘤的特定關(guān)聯(lián)，以及線粒體形態(tài)基因與周圍神經(jīng)系統(tǒng)的顯著關(guān)聯(lián)。在13個(gè)臨床發(fā)現(xiàn)類別中，超過80%的基因與中樞神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)，這些類別涵蓋了從新陳代謝到心血管系統(tǒng)、胃腸道系統(tǒng)、腎臟/泌尿系統(tǒng)以及其他類別的廣泛范圍?？梢姡琈itoCoP是一個(gè)全面和高度嚴(yán)格的線粒體疾病相關(guān)基因表征庫，熱圖為分析人類線粒體疾病的不同功能類別和臨床發(fā)現(xiàn)之間的聯(lián)系提供了豐富的數(shù)據(jù)來源（圖5C)。

圖5 MitoCoP疾病基因分類

綜上所述，研究人員采用多維分類方法，定義了1,134個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因的MitoCoP。MitoCoP代表了一個(gè)全面的蛋白質(zhì)組，具有線粒體特異性的絕對(duì)豐度和周轉(zhuǎn)值，為表征線粒體生物發(fā)生、功能和健康和疾病中的動(dòng)態(tài)提供了豐富的信息。MitoCoP為定義迄今尚未探索的與人類健康和疾病相關(guān)的線粒體調(diào)控成分和途徑開辟了一個(gè)廣闊的領(lǐng)域。