Cell Metabolism：高置信度人类线粒体定量蛋白质组及其在细胞环境中的动态变化
2021年11月，德国弗莱堡大学等单位的相关研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 27.3）上发表了题为“Quantitative high-confidence human mitochondrialproteome and its dynamics in cellular context”的研究论文，提出了人类线粒体的高置信度蛋白质概要，包括线粒体特异性蛋白质拷贝数和半衰期，确定了关键线粒体蛋白质机制的相互作用者，并将超过40%的线粒体蛋白质组与人类疾病联系起来。
亮点概述：
提供超过1100个蛋白质的人类线粒体高置信蛋白质组（MitoCoP）
线粒体特异性蛋白质拷贝数和半衰期
蛋白质转位酶和氧化磷酸化组装因子的相互作用
> 40% 的线粒体蛋白质组与人类疾病有关
研究背景：
线粒体是真核细胞中高度动态且普遍存在的细胞器，参与多种细胞功能，包括氧化磷酸化、氨基酸代谢途径、脂质、铁硫簇和血红素生物合成、信号传导过程和凋亡。在人类细胞中，13种蛋白质由线粒体基因组编码，并在线粒体核糖体上合成，而大多数线粒体蛋白质是核编码的，在胞质核糖体上合成，随后通过复杂的导入途径和易位机制系统导入线粒体。为了实现其广泛的功能，线粒体参与了一个高度互联的网络，线粒体功能失调与多种人类疾病表型有关。为了将疾病与线粒体蛋白质特异性地联系起来并在分子水平上对其进行表征，建立人类线粒体蛋白质组的高置信度清单至关重要。
直接针对人类线粒体蛋白质组的研究仅产生有限数量的蛋白质，包括纯化线粒体的680个蛋白质和通过原位邻近标记研究的690个蛋白质。人类细胞的空间蛋白质组学研究分配了660个线粒体蛋白质。相比之下，广泛使用的数据存储库结合在一起——包括基因本体论 (GO) 分配“线粒体”、基于 MitoMiner 的综合线粒体蛋白指数 (IMPI)和人类蛋白质组图谱 (HPA)——列出了 2,439 种人类线粒体蛋白，但线粒体分配的证据变化很大。此外，越来越多的蛋白质多定位于几个细胞区室，这大大限制了量化线粒体蛋白质绝对丰度和动态变化的方法，因为全细胞测定包括蛋白质的线粒体和非线粒体形式。迄今为止，高置信度的人类线粒体蛋白质组及其动态变化尚未确定。
为了建立人类线粒体蛋白质组的高清晰度图谱，研究人员以多维分类方法结合了不同纯度的线粒体制剂的消减蛋白质组学、亚细胞（空间）蛋白质图谱和线粒体导入组学的互补优势。在定量质谱（MS）研究中，对所有组分进行广泛的分级，以最大限度地扩大蛋白质组的覆盖范围。通过严格筛选对数据集进行分析，并辅以详细的文献/数据库整理和单蛋白研究，从而得出高置信度线粒体蛋白质组（MitoCoP）的定义。这一以人类线粒体为中心的多方面分析扩展到了MitoCoP的功能分类和线粒体特异性绝对定量拷贝数、生物合成和周转率。研究人员在人类细胞的线粒体制剂中分类了>8000种蛋白质，并定义了>1100种的MitoCoP，其中包括91个以前未在实验中定位于线粒体的蛋白质。
研究概述
下图A 概述了人类线粒体蛋白质组的功能分类。“代谢”代表了最大的功能蛋白质类别，包括不同蛋白质的数量 (29%) 和丰度 (31%)，反映了线粒体中发生的众多生化过程。研究数据显示，高丰度的 OXPHOS 亚基和参与蛋白质成熟和折叠的因子与分子伴侣 HSP60/10是两种最丰富的线粒体蛋白。参与调控过程、信号、质量控制和膜动态变化的蛋白质通常丰度较低。下图C提供了MitoCoP 蛋白丰度及其功能分配的详细概述，MitoCoP蛋白的丰度涵盖六个数量级，占细胞蛋白质组的7%。
MitoCoP的功能和绝对定量图像
研究人员接着分析了MitoCoP基因的疾病相关性，发现>40%（460个基因）与人类疾病相关观察结果相关。根据人类线粒体蛋白质组的功能分类对MitoCoP疾病基因进行分析，发现编码“代谢”（37%）和“OXPHOS”（21%）类蛋白质的基因代表了两个最丰富的疾病基因类，与“线粒体基因表达”一起，三个功能类别占线粒体疾病基因的75%以上。大多数基因与中枢神经系统（>80%）和代谢（>70%）的临床表现有关。人类线粒体蛋白质组的功能分类和疾病相关观察结果的系统映射显示，88%的复杂V型疾病基因与心血管观察结果相关，反映了心脏对ATP供应的强烈依赖性。该分析还强调了复杂II疾病基因与肿瘤的特异性关联（67%），以及线粒体形态基因与周围神经系统相关观察结果的显著关联（69%）。该热图为分析人类线粒体疾病不同功能类别和临床发现之间的联系提供了丰富的来源。
MitoCoP疾病基因分类
随后，研究人员分析了蛋白质生物发生和组装中的MitoCoP相互作用网络，确定了易位酶、呼吸链和ATP合酶组装因子的相互作用蛋白。到目前为止，蛋白质易位酶和氧化磷酸化组装因子的未知相互作用物已被确定。
线粒体蛋白质动态变化的系统分析对于理解线粒体蛋白质稳态及其在生理和病理生理条件下的调节至关重要。研究人员最后探究了人类MitoCoP动态变化，结果显示，MitoCoP动态变化跨越三个数量级，半衰期从数小时到数月不等，这种线粒体蛋白质半衰期的巨大差异即使在相同的蛋白质复合物或生物合成途径中也存在，表明生物合成和组装过程中的快速调节。
人类线粒体组织网络的蛋白质半衰期图
综上所述，该研究呈现了人类高置信蛋白质组MitoCoP，其包括线粒体特异性蛋白质拷贝数、蛋白质-蛋白质和复合物相互作用数据、蛋白质动态变化分析和线粒体疾病相关基因的功能定位。MitoCoP为定义迄今为止尚未探索的线粒体调节成分和途径开辟了一个广阔的领域，对人类健康和疾病具有重要意义。
