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【摘要】 线粒体是真核细胞重要的细胞器，随着蛋白质组技术的发展和完善，一些新方法也被应用于线粒体蛋白质的研究，线粒体蛋白质组研究虽然已取得了一些成果，但线粒体蛋白质组数据库中的数据仍较匮乏，并且还有一些问题亟待解决和改善。
【关键词】 线粒体；蛋白质组学
人类体细胞中除了红细胞，其他所有细胞均含有线粒体。线粒体是真核细胞重要的细胞器，它不仅是机体的能量代谢中心，而且还参与多种重要的细胞病理过程。线粒体拥有自己的DNA（mtDNA），可以进行转录、翻译蛋白质合成。线粒体含有500～2 000种蛋白质，约占整个细胞蛋白质种类的5%~10%。线粒体的蛋白质参与机体许多生理、病理过程，如参与电子传递和ATP合成、三羧酸循环、脂肪酸氧化、氨基酸降解等过程。线粒体蛋白质结构与功能的改变与人类许多疾病相关，如退行性疾病、心脏病、衰老和癌症。运用蛋白质组研究技术，从整体上研究这些蛋白质在生理及病理状态下的变化趋势及相互关系，可以为线粒体作用机制的探索提供新的有力的支持。
1 线粒体的超微结构和功能
线粒体是机体细胞中重要的亚细胞器，它具有独特的超微结构和多种重要的生物学功能。线粒体由两层膜包被，外膜平滑，内膜向内折叠形成嵴，两层膜之间有腔，线粒体中央是基质。基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类，内膜上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体。线粒体是细胞内氧化磷酸化和形成ATP的主要场所，有细胞“动力工厂”之称。线粒体合成的ATP供给几乎所有的细胞生理过程：从骨骼肌和心肌的收缩，到细胞膜跨膜离子梯度的维持、甚至激素和神经递质的分泌等。另外，线粒体有自身的DNA和遗传体系，但线粒体基因组的基因数量有限，因此，线粒体只是一种半自主性的细胞器。线粒体的主要化学成分是蛋白质和脂类，其中蛋白质占线粒体干重的65%~70%，脂类占25%~30%。在肝细胞线粒体中外膜、内膜、膜间隙和基质四个功能区，各蛋白质的含量依次为：基质67%，内膜21%，外膜8%，膜间隙4%。内膜含有三类功能性蛋白：（1）呼吸链中进行氧化反应的酶。（2）ATP合成酶复合物。（3）一些特殊的运输蛋白，调节基质中代谢物的输出和输入。细胞线粒体的功能，不仅限于生物学功能。它们在氨基酸和血脂新陈代谢、血红素和铁硫群生物合成、细胞信号与细胞凋亡发挥关键作用。
2 线粒体蛋白质组学概述
2.1 蛋白质组学的概念 蛋白质组学（proteome）一词，源于蛋白质（protein）与基因组（genome）两个词的杂合，意指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰、蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生、细胞代谢等过程的整体而全面的认识。
2.2 蛋白质组学的研究内容 蛋白质组学的研究内容主要有两个方面：即结构蛋白质组学和功能蛋白质组学。结构蛋白质组学主要是蛋白质表达模式的研究，包括蛋白质氨基酸序列分析及空间结构的解析、种类分析及数量确定。功能蛋白质组学主要是蛋白质功能模式的研究，包括蛋白质的功能及蛋白质间的相互作用。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为多种疾病机制的阐明及攻克，提供理论根据和解决途径。
2.3 线粒体蛋白质组的分析 对蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中与基因组学相对应的主要内容。目前线粒体蛋白质组的分析工作主要有:（1）通过双向电泳等技术得到正常生理条件下的蛋白质的图谱，建立相应的数据库。（2）比较病理组织细胞蛋白质组发生的变化，如蛋白质表达量的变化,翻译后修饰的类型和程度,或者可能的条件下分析蛋白质在亚细胞水平上定位的改变等。
2.4 线粒体蛋白质组研究技术 线粒体蛋白质组研究常用的技术有：（1）用于蛋白质相互作用及作用方式研究的双杂交系统。（2）用于蛋白质分离技术方面的，如双向凝胶电泳及HPLC等。（3）用于蛋白质鉴定的技术，如质谱技术、凝胶图像分析、蛋白质和多肽的N端、C端测序及氨基酸组成分析等。（4）用于分析大量数据的生物工程信息学。线粒体蛋白质组与其他蛋白质组研究面临同样的难题：低丰度、小分子量蛋白质及疏水性蛋白质难以鉴定。
3 线粒体蛋白质组学研究状况
3.1 线粒体蛋白质组图谱的构建 通过不同的技术得到正常生理条件下的蛋白质的图谱，建立相应的数据库。Rabilloud等［1］从健康人的胎盘组织中，分离提取线粒体进行蛋白质组研究，并建立正常人线粒体蛋白质组图谱。以此为参考图，发现了遗传性或获得性线粒体功能障碍时线粒体蛋白质谱的变化情况。他们使用了IPG（pH 4.0~8.0）双相电泳技术，共获得1 500个蛋白点。通过基质辅助激光解析离子化-飞行时间质谱-肽质指纹技术（MALDI-TOF-PMF）只鉴定出46种线粒体蛋白。Taylor等［2］分离从心肌中纯化的线粒体复合体，共鉴定出615种功能不同的蛋白质。其中90%以上的蛋白质定位于线粒体内膜，与氧化还原功能有关，19%为未知蛋白质。Fountoulakis等［3］从大鼠的肝脏中分离线粒体，并分别利用宽范围和窄范围pH梯度IPG对线粒体蛋白质进行双相电泳，通过MALDI-MS鉴定出192个基因产物。大约70%的基因产物是具有广谱催化能力的酶，其中8个基因产物首次被检测到，并且由一个点构成，而大多数蛋白质都是由多个点构成，平均10~15个点对应于一个基因产物。Mootha等［4］从小鼠大脑、心脏、肾脏、肝脏中分离提取线粒体蛋白质，进行线粒体蛋白质组研究。他们参照已有的基因信息共鉴定出591个线粒体蛋白质，其中新发现了163个蛋白质与线粒体有关。酵母和人类线粒体各有约700和1 150种蛋白质，从目前的统计看，酵母线粒体蛋白与人类线粒体蛋白的同源性高于36%，可以通过与酵母线粒体蛋白质序列同源性比较，初步推测人类线粒体蛋白质的功能作用［5］ 。Sickmann等采用多种方法分离纯化酵母线粒体蛋白，利用质谱技术鉴定出包括三羧酸循环、氧化磷酸化及线粒体编码的蛋白质共750种。Washburn等利用多维色谱、质谱和sE-QUEST（数据分析程序）算法，分析酵母蛋白质组；这种多维蛋白质鉴定技术（MudPIT技术）鉴定出1 484种酵母蛋白，包括低丰度蛋白（如转录因子和蛋白激酶）和131种预测含有跨膜结构域的膜整合蛋白。
3.2 线粒体蛋白质复合物的研究 线粒体内膜上嵌有很多蛋白质复合物，对于线粒体的功能具有重要作用，应用常规的双相电泳很难将这些蛋白质复合物完整地分离出来。Devreese等［6］采用Blue native polyacrylamide gel electrophoresis（BN-PAGE）分离线粒体内膜上的五个氧化磷酸化复合物，结合肽质量指纹图谱，成功地鉴定出氧化磷酸化复合物中60%的已知蛋白质。BN-PAGE在分离蛋白质复合物时可以保持它们的完整性，因此这项技术可以用于研究在不同的生理病理状态下蛋白质复合物的变化及临床诊断等［7］。
3.3 线粒体亚组分的研究 线粒体对维持细胞的体内平衡起着关键作用，因此加速了人们对线粒体亚组分的研究。线粒体内膜不仅包含有呼吸链复合物，它还包含多种离子通道和转运蛋白，对线粒体发挥正常的功能起着重要作用。Cruz等［8］专注于线粒体内膜蛋白质的研究，他们通过二维液相色谱串联质谱技术鉴定出182个蛋白质，pI 3.9~12.5，MW 6 000~527 000，这些蛋白与许多生化过程相关，比如电子传递、蛋白质运输、蛋白质合成、脂类代谢和离子运输。
3.4 线粒体蛋白质组数据库 线粒体蛋白质数据库MITOP是一个综合性的有关线粒体编码和核编码的线粒体蛋白质的遗传和功能信息以及它们的基因的数据库。其中收录了1 150种线粒体相关的基因和对应的蛋白质，人们可依据基因、蛋白质、同源性、通道与代谢、人类疾病分类查询相关的信息［9］。MitoP2数据库中主要为核编码的线粒体蛋白质组的数据，它将不同来源的线粒体蛋白质的信息整合在一起，人们可以根据不同的参数进行查询。MitoP2数据库既包括最新的数据也包括最初的 MITOP数据库中的数据。目前数据库中主要为酵母和人的线粒体蛋白质组的数据，以后还将收录小鼠、线虫等的数据。数据库旨在为人们提供线粒体蛋白质的综合性数据［10］。SWISS-PROT数据库包含269种人类线粒体蛋白质，其中与人类疾病相关的蛋白质有225种。数据库中有相当一部分蛋白质没有明确的定位和功能信息的描述。随着线粒体研究热潮到来和蛋白质组学技术的发展，将有更多的数据被填充到数据库中。
4 线粒体蛋白质组研究中常见的影响因素
4.1 线粒体样品的纯度 在分离提取线粒体过程中，难免有一些非线粒体“污染物”与线粒体一起沉淀，从而影响线粒体蛋白质组的结果。这些“污染物”多为：核碎片、胞浆或微粒体成分的部分分离物，它们与线粒体具有相似的沉降系数，因此与线粒体一起沉淀；另外，细胞质中与线粒体结合的物质也可成为“污染物”。完全排除这些非线粒体“污染物”是不可能的，但通过优化操作可最大限度地纯化线粒体。
4.2 线粒体低分子量蛋白质与碱性蛋白质 线粒体中普遍存在着低分子量蛋白质，有些低分子量蛋白质虽然能在2-DE中显现出来，但由于它们产生的肽片段很少，因此利用肽质量指纹图鉴别相当困难。另外，线粒体中存在如磷酸盐载体和ADP-ATP载体等偏碱性蛋白质（pI>10），它们在普通的pH 3～10胶上不能被分离出，必须使用特殊pH范围的干胶条。
4.3 线粒体膜蛋白 线粒体含有丰富的膜蛋白，它们在普通样品裂解液中的溶解性很低。现引入新的试剂如：硫脲、硫代甜菜碱表面活性剂和三丁基磷化氢来增加疏水性蛋白质的溶解。Pasquali等经过实验研究表明膜蛋白在使用8 mol/I urea、2 mol/I，thiourea、4%CHAPS、2%Carrier ampholytes pH 4～8、20 mmol/I Tris base和 30 mmol/I DTE中仅有少量蛋白质残留在IPG中，大多数蛋白质都进入第二相SDS胶中。
5 线粒体蛋白质组的研究新进展
Chris等［11］汇编了一份全面的哺乳动物线粒体蛋白质报告。他们研究建立了一个清单，识别出小鼠线粒体蛋白质近1 100个基因编码，其中约1/4的小鼠线粒体蛋白质没有已知生物学功能。Chris等从14个不同的鼠组织分析蛋白质含量。在每个组织约有750种不同的线粒体蛋白质被发现，大约有1/3的蛋白质被发现在所有组织，包括大多数细胞的氧化磷酸化（OXPHOS）中发挥作用。蛋白质标记与绿色荧光蛋白（GFP）广泛用于评估细胞内蛋白质的位置。Chris等所得只有相对较少的线粒体蛋白质，在其Mito Carta数据库使用的是绿色荧光蛋白标记的办法。他们综合来自各种渠道的数据，如生物信息学预测线粒体定位信号、比较以前酵母线粒体蛋白质序列同源性和文献检索，获取到大约 1 100个线粒体的蛋白质基因。哺乳动物的线粒体蛋白质的基因总数可接近1 500个。哺乳动物的线粒体呼吸链复合物Ⅰ包含约 45种不同的亚基聚集在线粒体膜内（Lazarou等，2007年）。Chris等构建了超过40种真核生物的进化树，并分析了复合物Ⅰ亚基的存在。最重要的是，他们识别出一个新的基因—C8orf38，这是变异的复合物Ⅰ。
6 线粒体蛋白质组的研究前景
线粒体除了合成ATP、调节氧化还原电势、调控细胞凋亡和基因表达外，它还在生物生长、发育、衰老、疾病、死亡以及生物进化等方面具有重要意义。随着人类基因组工作草图的完成，生命科学的研究进入后基因组时代，蛋白质组学的研究遂成为重点。将有更多的蛋白质被发现，对于蛋白质功能的研究也将更加深入，未来的挑战包括：分析分子组装，建立线粒体信号网络等。线粒体蛋白质组研究必将为揭示生命现象的本质以及疾病的发病机制和早期诊断做出重要贡献。
【参考文献】
1 Rabilloud T，Kiefer S，Procaccio V,et al.Two-dimensional electrophoresis of human placental mitochondria and protein identification by mass spectrometry：toward a human mitochondrial proteome.Electrophoresis，1998，19：1006-1014.
2 Taylor SW，Wamock DE，Glenn GM，et al.An alternative strategy to determine the mitochondrial proteome using sucrose gradient fractionation and l D PAGE on highly purified human heart mitochondria.J Proteome Res，2002，1（5）：451-458.
3 Fountoulakis M，Bemdt P，Langen H，et al.The rat liver mitochondrial proteins.Electrophoresis，2002，23：311-328.
4 Mootha VK，Bunkenborg J，Oisen JV，et al.Integrated analysis of protein composition.tissue diversity，and gene regulation in mouse mitochondria.Cell，2003，115（5）：629-640.
5 赵明.线粒体蛋白质组研究进展.生物学教学,2006，31（2）:2-4.
6 Devreese B，Vanrobaeys F，Smet J，et al.Mass spectrometric identification.of mitochondrial oxidative phosphorylation subunits separated by two-dimensional blue-native polyacrylamide gel ellctrophoresis.Electrophoresis，2002，23：2525-2533.
7 鞠艳芳,高建恩,孙启鸿.线粒体蛋白质组学研究进展.第四军医大学学报,2006,27（8）:760-762.
8 Cruz SD，Xenarios I，Langridge J，et al.Proteomic analysis of the mouse liver mitochondrial inner membrane.J Biol Chem，2003，278（42）：41566-41571.
9 Scharfe C，Zaccaria P，Hoertnagel K，et al.MITOP，the mitochondrial proteome database：2000 update.Nuc Acid Res，2000，28 （1）：155-158.
10 Andreoli C，Prokisch H，Hortnagel K，et al.MitoP2，an integrated database on mitochondrial proteins in yeast and man.Nuc Acid Res，2004，32（90001）：459-462.
11 Chris M, Albert S,Nikolaus P,et al.The Mitochondrial Proteome:from Inventory to function.Cell,2008,134（1）:22-24.
作者单位：上海，上海市闵行区吴泾医院药剂科