Nature：MITOMICS — 基于多组学分析的线粒体功能探索工具

2022年5月，华盛顿大学医学院等单位的相关研究人员在《Nature》（IF: 49.96）上发表了题为“Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling”的研究论文，利用基于质谱的多组学分析提供了对线粒体扰动的细胞反应的深入调查，建立了一个更完整的人类线粒体蛋白功能概要，并为蛋白质功能的机制研究奠定了基础。

• 一种利用高通量定量质谱（MS）的综合系统生物化学方法可用于探索线粒体蛋白功能。

• 确定了线粒体蛋白新的生物功能，涉及氧化还原生物学、MICOS 完整性、蛋白酶功能、线粒体DNA 调节和糖原代谢等。

• PIGY 上游开放阅读框 (PYURF)支持复合物 I (CI)  组装和辅酶Q（CoQ）生物合成。

• RAB5IF基因的破坏可以消除TMCO1基因编码的蛋白，它们之间的联系与脑面胸发育不良（CFSMR）有关。

为了更好地了解线粒体的工作机理，鉴定出尽可能多的线粒体蛋白的功能，研究人员设计了一种利用高通量定量质谱（MS）的综合系统生物化学方法，并将其应用于一组203个人类HAP1敲除（KO）细胞系，每个细胞系都有一个细胞核编码的线粒体基因被CRISPR–Cas9技术破坏。这些靶向敲除基因编码的蛋白大多数与人类疾病直接相关。研究人员尝试寻找每个缺失的基因在保持线粒体正常运行方面所起作用的线索。为此不仅监测了这些细胞系的生长速度，还定量了每种细胞系的8433种蛋白、3563种脂质和218种代谢物的水平。研究人员还利用这些数据建立了MITOMICS（线粒体孤儿蛋白多组学CRISPR筛查）应用程序，该资源配备了用于探索线粒体蛋白功能的直观分析工具。

MITOMICS 实验设计和数据资源汇总

基于MITOMICS 资源中可用的工具生成的类似配置文件，研究人员提出了线粒体蛋白在不同领域的新功能，一个突出的例子是对 SLC30A9 的分析，这是一种推定的锌转运蛋白，研究人员将其与线粒体核糖体和氧化磷酸化（OxPhos）蛋白完整性联系起来。此外，线粒体蛋白新确定的生物功能还涉及氧化还原生物学、MICOS 完整性、蛋白酶功能、线粒体DNA 调节和糖原代谢等。

通过开展进一步研究，研究人员将几种蛋白与独立的线粒体疾病联系起来。许多诊断出的以辅酶Q（CoQ）或复合物 I (CI) 缺陷为特征的人类线粒体疾病在已建立的 CoQ 和 CI 相关基因中缺乏明显的突变，这表明这些途径依赖于尚未确定的蛋白质。研究人员寻找参与这些过程的线粒体未表征蛋白质（MXP）发现，PIGY 上游开放阅读框 (PYURF) 是一种 S-腺苷甲硫氨酸依赖性甲基转移酶伴侣，它支持CI 组装和CoQ 生物合成，并且在以前未解决的多系统线粒体疾病中被破坏。

PYURF 在协调 CI 组装和 CoQ 生物合成途径中的功能模型

此外，研究人员还通过复合分析将 MXP 与功能联系起来，发现RAB5IF基因的破坏可以消除TMCO1基因编码的蛋白，TMCO1基因与脑面胸发育不良（CFSMR）有关，这种疾病的特点是独特的面部特征和严重的智力障碍。RAB5IF 和 TMCO1的联系为探索每种蛋白质的功能和了解衰弱性疾病的潜在病理生理学提供了一条新途径。

总之，该研究通过识别核心线粒体途径的新蛋白质来展示了 MITOMICS 资源的力量，该资源可以加速孤儿蛋白的功能表征，促进新疾病相关基因的发现，并提高对线粒体疾病病理机制和基因型-表型相关性的理解。此外，它还可用于为线粒体功能障碍相关的广泛人类疾病设计更强大的诊断和治疗方法。