科学家绘制出线粒体蛋白质图谱

科学家以前所未有的精细程度，绘制了6种生物（5种单细胞寄生虫和1种植物）线粒体蛋白质图谱，跨越真核生物的生命之树。

蛋白质目录揭示了线粒体的动态图景，超越了人类和酵母已知的范围。图片来源：Keele University/SPL 10月1日至9日发表于《细胞》《细胞出版社蓝皮书》《分子细胞》和《当代生物学》上的9篇论文，揭示了数十种人体内不存在但在寄生虫中普遍存在的蛋白质，其中包括一些可导致疟疾或昏睡病的寄生虫。这些发现有望帮助科学家开发针对这些疾病的新型治疗方法。 这项研究还引发了关于线粒体起源这一长期存在的争论。 线粒体因能产生能量而被称作真核细胞的“发电厂”，它拥有独立的小型DNA，与细胞核中的DNA并不相同。不过，线粒体DNA与细胞核DNA均会编码构成该细胞器的蛋白质。美国霍华德·休斯医学研究所的线粒体生物学家Vamsi Mootha表示，关于线粒体的已知信息大多来自对人类和酵母的研究。他领导了“线粒体蛋白组”目录项目。 如今，通过分析多个真核生物分支中的线粒体蛋白，该团队发现了更多潜在的蛋白质，这些发现可能指向尚未被研究的分子通路。 Mootha和同事分析了多种寄生虫的蛋白质组，其中包括每年在全球感染约2.8亿人并引发腹泻的贾第鞭毛虫。捷克查尔斯大学的细胞生物学家Pavel Dole?al表示，贾第鞭毛虫体内存在微小的、类似线粒体的细胞器，由于它们生活在其他生物肠道且处于无氧环境，因此很难研究。 Mootha和同事在贾第鞭毛虫中共鉴定出59种线粒体蛋白，其中32种为科学界已知的，另有27种为新发现的。Dole?al指出，这些蛋白中有34种的功能尚不清楚，这令人惊讶，因为“这意味着存在某种我们尚未了解的新的代谢途径，而它一直被忽略了”。 研究人员将6种生物的线粒体蛋白组与人类和酵母已知的线粒体蛋白组相结合，构建出包含619种线粒体蛋白的集合，这些蛋白质归属于3199个蛋白家族。其中约43%的蛋白家族未被记录在大型蛋白质数据库Pfam中。除此之外，还有33个蛋白家族在真核病原体中保守存在，但在人类中却缺失。 Mootha表示，这些蛋白质可以成为精准治疗的“理想药物靶点”，因为它们能作用于寄生虫蛋白而不影响人类蛋白。 研究人员一致认为，线粒体大约在20亿年前出现，当时一个细菌被古菌细胞吞噬，并开始与之形成互利共生的关系，即内共生。这种细菌后来演化为线粒体，被认为向其宿主古菌提供了能量。但线粒体究竟是在真核生物进化早期还是晚期诞生，目前尚无定论。 为解决这一问题，Mootha和同事将真核生物线粒体蛋白组的谱系映射到系统发育树上，即物种间进化关系的分支图谱。研究团队利用人工智能模型分析了203种真核生物的已知基因组，并预测了它们编码的蛋白质中哪些是线粒体蛋白。他们由此发现了1420个此前各类数据集均未记录的蛋白家族。 “通过这个更大的数据集合，我们得以进行系统发育分析，试图推断最后一个真核共同祖先的线粒体蛋白组可能是什么样子。”Mootha说，这项研究表明，线粒体“具有相当复杂的结构和多种代谢能力”，包括有氧和无氧代谢。 英国伦敦大学学院的进化生物化学家Nick Lane表示：“这是对先前关于祖先研究的一项宝贵验证。” Mootha表示，他们的系统发育分析支持线粒体在真核生物进化中较晚出现的假设，因为在树状图上，与细胞其他部分相对应的谱系延伸出长长的分支，之后才出现线粒体蛋白质组。 但Lane提醒，系统发育树的长分支除了表明进化周期长之外，还可能有不同的解释，也可能表明进化过程迅速。 Dole?al表示，“我认为我们永远无法确切知道”线粒体究竟是在何时出现的。