植物線粒體蛋白質(zhì)組的研究進(jìn)展

黃鳳蘭，陳芳艷，龐洪影，孟凡娟

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150040）

一般來說，植物線粒體蛋白質(zhì)組包含有2 000～3 000種不同的基因產(chǎn)物，而目前已鑒定約400多種線粒體蛋白質(zhì)，主要包括：呼吸作用復(fù)合體、超級(jí)復(fù)合體亞基、磷酸化蛋白和氧化蛋白，還發(fā)現(xiàn)一系列新的線粒體蛋白質(zhì)，并探明線粒體的一些新功能及代謝的機(jī)制。例如：在擬南芥（Arabidopsis）線粒體中，發(fā)現(xiàn)70多種已被鑒定的蛋白質(zhì)與任何一種已知功能的蛋白質(zhì)都不同。而且在一些研究中，還發(fā)現(xiàn)一些未知蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)是蛋白質(zhì)復(fù)合體的主要組成部分，因此對(duì)線粒體蛋白質(zhì)還需進(jìn)行深入研究。

1 植物線粒體的功能

植物線粒體的首要作用是參與有機(jī)酸的呼吸氧化作用及通過呼吸電子傳遞鏈將電子傳遞給O2并伴隨ATP合成。而線粒體也有許多重要的其他功能，如：核甘酸的合成，氨基酸和脂質(zhì)代謝，維生素和輔因子的合成，參與光呼吸途徑以及介導(dǎo)大范圍的細(xì)胞生物合成和有機(jī)酸的輸出。為了實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的功能，線粒體包含多種蛋白質(zhì)。通常線粒體的大部分蛋白質(zhì)在細(xì)胞核中編碼，然后主動(dòng)運(yùn)輸至線粒體中，同時(shí)小分子物質(zhì)可通過膜運(yùn)載體和膜通道進(jìn)出線粒體，而這些小分子物質(zhì)是呼吸作用的燃料及細(xì)胞生物合成的產(chǎn)物，可以協(xié)調(diào)細(xì)胞分裂，發(fā)育變化及環(huán)境脅迫后的信息傳遞，而線粒體主要通過信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)行感知，而分析這些過程的關(guān)鍵是明確線粒體中有關(guān)參與這些功能的所有蛋白質(zhì)元件的準(zhǔn)確信息，而這些蛋白質(zhì)信息的集合被稱作是線粒體蛋白質(zhì)組。

線粒體蛋白質(zhì)組中的許多核編碼的蛋白質(zhì)都是以信號(hào)序列為靶向細(xì)胞器，信號(hào)序列主要位于蛋白質(zhì)氨基末端。理論上，這些蛋白質(zhì)可以通過生物信息工具分析信號(hào)序列中共同的已被鑒定的特點(diǎn)來預(yù)測(cè)。使用這些生物信息工具，模式植物核基因組編碼的數(shù)千種蛋白質(zhì)被預(yù)測(cè)為線粒體蛋白質(zhì)[1]。在植物中，線粒體蛋白質(zhì)組的大范圍的分析正在進(jìn)行[2]，且通過氧化還原反應(yīng)和磷酸化作用進(jìn)行蛋白質(zhì)組的翻譯后修飾的詳細(xì)研究結(jié)果也已經(jīng)發(fā)表[3]。整合這些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以為深入了解線粒體蛋白質(zhì)組及其翻譯后的修飾，以便更深入地了解其在植物體中線粒體的功能。

2 植物線粒體蛋白質(zhì)組功能預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展

利用蛋白已明確的特征以及一系列計(jì)算模型均可以對(duì)亞細(xì)胞進(jìn)行定位預(yù)測(cè)，特別是基于蛋白質(zhì)N-末端區(qū)域的亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)，蛋白質(zhì)N-末端區(qū)域包含前序列定位信息。現(xiàn)已經(jīng)形成了幾個(gè)共享的可獲得的程序，這些程序能夠可以用來預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)亞細(xì)胞定位，而且還可以用來預(yù)測(cè)線粒體定位。MitoProt II[4]、PSORT[5]和 iPSORT[6]利用之前確定好的信號(hào)肽參數(shù)預(yù)測(cè)亞細(xì)胞定位。利用TargetP[7]、Predotar[8]和 SubLoc[9]這三個(gè)程序技術(shù)進(jìn)行亞細(xì)胞預(yù)測(cè)，通常像這樣的程序一般可以預(yù)測(cè)擬南芥線粒體蛋白質(zhì)的5%～10%。比較每個(gè)預(yù)測(cè)程序所獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果表明，預(yù)測(cè)程序之間的相同預(yù)測(cè)結(jié)果集很小，約是擬南芥所有蛋白質(zhì)的3%，暗示在這些已預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)集中有相對(duì)大的非重疊陽性集[1-2]。Richly等使用序列相似性配對(duì)和N-末端定位預(yù)測(cè)，分析了一系列不同真核生物基因組并提出了推測(cè)的線粒體蛋白質(zhì)組，每個(gè)蛋白質(zhì)組包含的蛋白質(zhì)種類的變化范圍從1 000～4 000[1]；擬南芥中假定的線粒體蛋白質(zhì)組被認(rèn)為含有約3 000種蛋白質(zhì)。一種更先進(jìn)的完善預(yù)測(cè)的方法是利用更多的來自主序列的基礎(chǔ)信息進(jìn)行位置預(yù)測(cè)。利用功能結(jié)構(gòu)域組分的雜合體和擬氨基酸組分[10]或蛋白質(zhì)家族（Pfam）結(jié)構(gòu)域組分，已經(jīng)成功地為亞細(xì)胞定位預(yù)測(cè)提供了工具，且準(zhǔn)確率相似于或超過N-末端定位的預(yù)測(cè)。這些基于前序列和成熟蛋白質(zhì)序列結(jié)合的方法不局限于蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)定位機(jī)制。但是，所有的這些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集或它們的組合的真實(shí)性有待于一次全面的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集之間的比較。

3 利用蛋白質(zhì)組學(xué)研究線粒體蛋白質(zhì)功能

基于較早的蛋白質(zhì)組研究結(jié)果，擬南芥的416種線粒體蛋白質(zhì)已被鑒定[2]。已被鑒定的蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量，等電點(diǎn)及疏水性分布的發(fā)現(xiàn)使得利用無凝膠策略在鑒定大分子蛋白質(zhì)，小分子蛋白質(zhì)和堿性蛋白質(zhì)以及低豐度蛋白質(zhì)時(shí)更加成功。其中被鑒定的蛋白質(zhì)多為多功能蛋白。例如，三羧酸（TCA）循環(huán)中的30種蛋白質(zhì)，電子傳遞鏈中的78種蛋白質(zhì)及氨基酸代謝途徑的20多種蛋白質(zhì)，包括線粒體中涉及的光呼吸作用的蛋白質(zhì)，在擬南芥中已被鑒定。盡管在植物線粒體中這些被預(yù)測(cè)的蛋白質(zhì)數(shù)量較大，但是研究較深入的還較少，同時(shí)我們必須注意的是有關(guān)線粒體蛋白質(zhì)組學(xué)主要針對(duì)模式植物，如擬南芥和水稻，而對(duì)其他植物開展的還較少[11-13]。

3.1 新陳代謝與生物合成

在植物線粒體中，核苷酸、有機(jī)酸及細(xì)胞色素P450代謝等作用元件已被鑒定，為進(jìn)一步對(duì)這些途徑的研究提供了基礎(chǔ)。其中推測(cè)為線粒體次黃嘌呤核甘酸脫氫酶和氨基咪唑核糖核苷酸合成酶已被鑒定，為植物線粒體中嘌呤生物合成的研究提供了一個(gè)起點(diǎn)[12]。γ-氨基丁酸支路途徑的大部分酶也已被鑒定，該途徑在細(xì)菌系統(tǒng)中，研究得很多，但是植物線粒體中該途徑的重要性直到最近才被注意到[14]。一種與線粒體類的腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白非常相似的蛋白質(zhì)也已被發(fā)現(xiàn)，在哺乳動(dòng)物線粒體中該蛋白稱為腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白。在哺乳動(dòng)物中，這些蛋白質(zhì)可以利用線粒體中的腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白還原酶還原細(xì)胞色素P450。最近，Picciocchi等也證明了植物線粒體中腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白和腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白還原酶在生物素合成中的作用[15]。也有證據(jù)表明，在植物體中，植物線粒體細(xì)胞色素P450的活性[16]和在擬南芥中幾種位于線粒體中的細(xì)胞色素P450相似[17]，都可能利用該腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白系統(tǒng)。

3.2 氧化脅迫和氧化還原調(diào)控

超氧化物歧化酶和谷胱甘肽還原酶均位于植物線粒體中，但是在氧化條件下，直接與氧自由基消除有關(guān)或間接與氧化還原作用的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)有關(guān)的其他蛋白質(zhì)還未被鑒定出來[18]。用蛋白質(zhì)組學(xué)分析法表明：硫氧還蛋白依賴的過氧化物酶，硫氧還蛋白依賴的蛋白二硫鍵異構(gòu)酶（PDI），谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶等均為線粒體蛋白[19]，這些蛋白的鑒定加深了我們對(duì)植物線粒體硫氧還蛋白系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)[20]。其中硫氧還蛋白依賴的過氧化物酶可能是植物線粒體能夠代謝H2O2的一種機(jī)制。盡管線粒體PDI亞型在哺乳動(dòng)物中已經(jīng)被證明[21]，但是植物線粒體中的PDI的作用還未進(jìn)行研究。當(dāng)PDI被硫氧還蛋白還原酶還原時(shí)，PDI在線粒體中可能的作用方式有以下幾種：消除氧化時(shí)產(chǎn)生的異常二硫化物；提高新合成蛋白質(zhì)的正確折疊率以替代受損蛋白；或者直接還原激活參與抗氧化防御蛋白所需要的二硫化物[22]。

3.3 細(xì)胞信號(hào)元件

作為線粒體內(nèi)部的信號(hào)元件的活性氧類，激酶及磷酸酶很重要，但是該機(jī)制元件只有少數(shù)幾種被鑒定，且直到最近才知道該途徑的少數(shù)靶位點(diǎn)，其中蛋白激酶，與蛋白磷酸酶、核苷酸、Ca2+結(jié)合蛋白，都被定位于植物線粒體中，并提供了一些在線粒體中瞬間發(fā)送信號(hào)的機(jī)制[2]。此外，現(xiàn)正在用磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析法鑒定激酶和磷酸酶的作用靶位點(diǎn)[23]，因此有關(guān)方面的研究還處于初級(jí)階段。

4 線粒體蛋白質(zhì)組元件的發(fā)育、遺傳及環(huán)境脅迫修飾

首先，線粒體蛋白質(zhì)組不是靜態(tài)的：它是一個(gè)不斷變化的過程，反應(yīng)了在不同植物器官和細(xì)胞類型中線粒體的特異作用。甚至在一個(gè)特定的細(xì)胞類型中，作為對(duì)遺傳因子，環(huán)境影響和編程發(fā)育的起始的反應(yīng)，線粒體蛋白質(zhì)組都會(huì)有所改變。Francs-Small等發(fā)現(xiàn)，不同植物器官的線粒體之間差異較大[24-25]。Bardel等對(duì)這些復(fù)雜的組織特異性改變的蛋白質(zhì)進(jìn)行了鑒定[26]。該研究利用質(zhì)譜測(cè)定法或Edman降解法鑒定了豌豆線粒體的可溶性成分的37種不同的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)來自綠葉、黃葉、根及種子的線粒體蛋白質(zhì)組成明顯不同。同時(shí)線粒體蛋白質(zhì)組在光呼吸作用中的作用也已經(jīng)確定，其中幾種不同的醛脫氫酶，可能參與對(duì)線粒體功能障礙時(shí)對(duì)醛的解毒作用[26]。在幾個(gè)不同植物物種中，也研究了同一種細(xì)胞類型的線粒體蛋白質(zhì)組中的變化。在豌豆、玉米和番茄中研究了小熱休克蛋白的熱激誘導(dǎo)作用[27-28]。作為對(duì)脅迫信號(hào)的反應(yīng)，可替代呼吸作用的旁路途徑和甲酸脫氫酶的誘導(dǎo)作用，也有所報(bào)道[29]。在擬南芥線粒體蛋白質(zhì)組中的氧化脅迫誘導(dǎo)變化也顯示了一種蛋白質(zhì)分解和新蛋白質(zhì)累積的模式，該模式反應(yīng)了三羧酸循環(huán)和呼吸系統(tǒng)中的大部分敏感蛋白的丟失和基于硫氧還蛋白和谷胱甘肽防御的誘導(dǎo)作用[22]。通過比較線粒體蛋白質(zhì)組來鑒定細(xì)胞雄性不育原因的研究發(fā)現(xiàn)：蛋白質(zhì)的豐度發(fā)生了微妙變化[27-28]。最近一個(gè)關(guān)于玉米線粒體蛋白質(zhì)組的T型細(xì)胞質(zhì)的影響研究發(fā)現(xiàn)：從具有T型或NA型細(xì)胞質(zhì)的細(xì)胞中分離出來的線粒體，編碼的蛋白質(zhì)豐度不同。這表明作為細(xì)胞質(zhì)線粒體基因組的表達(dá)，能夠影響核編碼線粒體靶向蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄和翻譯，最終影響線粒體蛋白質(zhì)組[30-32]。

5 展 望

有效的定位預(yù)測(cè)方法以及更深入的蛋白質(zhì)組學(xué)研究可以使我們對(duì)線粒體中蛋白質(zhì)有更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)[33]。當(dāng)這些蛋白質(zhì)被組織或細(xì)胞類型或環(huán)境因素影響時(shí)，我們則可以運(yùn)用比較蛋白質(zhì)學(xué)和cDNA微陣列測(cè)定這些蛋白質(zhì)的累積和表達(dá)模式，而被稱作后蛋白質(zhì)組學(xué)或功能蛋白質(zhì)組學(xué)的研究，則應(yīng)該是在對(duì)個(gè)別蛋白質(zhì)翻譯后修飾效果的理解下，并針對(duì)這些蛋白質(zhì)和它們催化的代謝途徑之間的相互作用以及這些途徑中的一些通路進(jìn)行深入研究，從而將這些蛋白并入細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)。因此，對(duì)植物線粒體的研究尚待進(jìn)一步深入。

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