植物線粒體蛋白質組的研究進展

黃鳳蘭，陳芳艷，龐洪影，孟凡娟

（1.內蒙古民族大學生命學院，內蒙古 通遼 028000；2.東北林業大學生命科學學院，哈爾濱 150040）

一般來說，植物線粒體蛋白質組包含有2 000～3 000種不同的基因產物，而目前已鑒定約400多種線粒體蛋白質，主要包括：呼吸作用復合體、超級復合體亞基、磷酸化蛋白和氧化蛋白，還發現一系列新的線粒體蛋白質，并探明線粒體的一些新功能及代謝的機制。例如：在擬南芥（Arabidopsis）線粒體中，發現70多種已被鑒定的蛋白質與任何一種已知功能的蛋白質都不同。而且在一些研究中，還發現一些未知蛋白質，這些蛋白質是蛋白質復合體的主要組成部分，因此對線粒體蛋白質還需進行深入研究。

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，氨基酸和脂質代謝，維生素和輔因子的合成，參與光呼吸途徑以及介導大范圍的細胞生物合成和有機酸的輸出。為了實現這些復雜的功能，線粒體包含多種蛋白質。通常線粒體的大部分蛋白質在細胞核中編碼，然后主動運輸至線粒體中，同時小分子物質可通過膜運載體和膜通道進出線粒體，而這些小分子物質是呼吸作用的燃料及細胞生物合成的產物，可以協調細胞分裂，發育變化及環境脅迫后的信息傳遞，而線粒體主要通過信號級聯反應進行感知，而分析這些過程的關鍵是明確線粒體中有關參與這些功能的所有蛋白質元件的準確信息，而這些蛋白質信息的集合被稱作是線粒體蛋白質組。

線粒體蛋白質組中的許多核編碼的蛋白質都是以信號序列為靶向細胞器，信號序列主要位于蛋白質氨基末端。理論上，這些蛋白質可以通過生物信息工具分析信號序列中共同的已被鑒定的特點來預測。使用這些生物信息工具，模式植物核基因組編碼的數千種蛋白質被預測為線粒體蛋白質[1]。在植物中，線粒體蛋白質組的大范圍的分析正在進行[2]，且通過氧化還原反應和磷酸化作用進行蛋白質組的翻譯后修飾的詳細研究結果也已經發表[3]。整合這些預測數據和實驗數據，可以為深入了解線粒體蛋白質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 植物線粒體蛋白質組功能預測的研究進展

利用蛋白已明確的特征以及一系列計算模型均可以對亞細胞進行定位預測，特別是基于蛋白質N-末端區域的亞細胞定位預測，蛋白質N-末端區域包含前序列定位信息。現已經形成了幾個共享的可獲得的程序，這些程序能夠可以用來預測蛋白質亞細胞定位，而且還可以用來預測線粒體定位。MitoProt II[4]、PSORT[5]和 iPSORT[6]利用之前確定好的信號肽參數預測亞細胞定位。利用TargetP[7]、Predotar[8]和 SubLoc[9]這三個程序技術進行亞細胞預測，通常像這樣的程序一般可以預測擬南芥線粒體蛋白質的5%～10%。比較每個預測程序所獲得的預測結果表明，預測程序之間的相同預測結果集很小，約是擬南芥所有蛋白質的3%，暗示在這些已預測的數據集中有相對大的非重疊陽性集[1-2]。Richly等使用序列相似性配對和N-末端定位預測，分析了一系列不同真核生物基因組并提出了推測的線粒體蛋白質組，每個蛋白質組包含的蛋白質種類的變化范圍從1 000～4 000[1]；擬南芥中假定的線粒體蛋白質組被認為含有約3 000種蛋白質。一種更先進的完善預測的方法是利用更多的來自主序列的基礎信息進行位置預測。利用功能結構域組分的雜合體和擬氨基酸組分[10]或蛋白質家族（Pfam）結構域組分，已經成功地為亞細胞定位預測提供了工具，且準確率相似于或超過N-末端定位的預測。這些基于前序列和成熟蛋白質序列結合的方法不局限于蛋白質的傳統定位機制。但是，所有的這些預測數據集或它們的組合的真實性有待于一次全面的預測數據與更多的實驗數據集之間的比較。

3 利用蛋白質組學研究線粒體蛋白質功能

基于較早的蛋白質組研究結果，擬南芥的416種線粒體蛋白質已被鑒定[2]。已被鑒定的蛋白質的分子質量，等電點及疏水性分布的發現使得利用無凝膠策略在鑒定大分子蛋白質，小分子蛋白質和堿性蛋白質以及低豐度蛋白質時更加成功。其中被鑒定的蛋白質多為多功能蛋白。例如，三羧酸（TCA）循環中的30種蛋白質，電子傳遞鏈中的78種蛋白質及氨基酸代謝途徑的20多種蛋白質，包括線粒體中涉及的光呼吸作用的蛋白質，在擬南芥中已被鑒定。盡管在植物線粒體中這些被預測的蛋白質數量較大，但是研究較深入的還較少，同時我們必須注意的是有關線粒體蛋白質組學主要針對模式植物，如擬南芥和水稻，而對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、有機酸及細胞色素P450代謝等作用元件已被鑒定，為進一步對這些途徑的研究提供了基礎。其中推測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起點[12]。γ-氨基丁酸支路途徑的大部分酶也已被鑒定，該途徑在細菌系統中，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鐵氧還蛋白非常相似的蛋白質也已被發現，在哺乳動物線粒體中該蛋白稱為腎上腺皮質鐵氧還蛋白。在哺乳動物中，這些蛋白質可以利用線粒體中的腎上腺皮質鐵氧還蛋白還原酶還原細胞色素P450。最近，Picciocchi等也證明了植物線粒體中腎上腺皮質鐵氧還蛋白和腎上腺皮質鐵氧還蛋白還原酶在生物素合成中的作用[15]。也有證據表明，在植物體中，植物線粒體細胞色素P450的活性[16]和在擬南芥中幾種位于線粒體中的細胞色素P450相似[17]，都可能利用該腎上腺皮質鐵氧還蛋白系統。

3.2 氧化脅迫和氧化還原調控

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或間接與氧化還原作用的內環境穩態有關的其他蛋白質還未被鑒定出來[18]。用蛋白質組學分析法表明：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酶（PDI），谷胱甘肽轉移酶等均為線粒體蛋白[19]，這些蛋白的鑒定加深了我們對植物線粒體硫氧還蛋白系統的認識[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的一種機制。盡管線粒體PDI亞型在哺乳動物中已經被證明[21]，但是植物線粒體中的PDI的作用還未進行研究。當PDI被硫氧還蛋白還原酶還原時，PDI在線粒體中可能的作用方式有以下幾種：消除氧化時產生的異常二硫化物；提高新合成蛋白質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 細胞信號元件

作為線粒體內部的信號元件的活性氧類，激酶及磷酸酶很重要，但是該機制元件只有少數幾種被鑒定，且直到最近才知道該途徑的少數靶位點，其中蛋白激酶，與蛋白磷酸酶、核苷酸、Ca2+結合蛋白，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送信號的機制[2]。此外，現正在用磷酸化蛋白質組學分析法鑒定激酶和磷酸酶的作用靶位點[23]，因此有關方面的研究還處于初級階段。

4 線粒體蛋白質組元件的發育、遺傳及環境脅迫修飾

首先，線粒體蛋白質組不是靜態的：它是一個不斷變化的過程，反應了在不同植物器官和細胞類型中線粒體的特異作用。甚至在一個特定的細胞類型中，作為對遺傳因子，環境影響和編程發育的起始的反應，線粒體蛋白質組都會有所改變。Francs-Small等發現，不同植物器官的線粒體之間差異較大[24-25]。Bardel等對這些復雜的組織特異性改變的蛋白質進行了鑒定[26]。該研究利用質譜測定法或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，發現來自綠葉、黃葉、根及種子的線粒體蛋白質組成明顯不同。同時線粒體蛋白質組在光呼吸作用中的作用也已經確定，其中幾種不同的醛脫氫酶，可能參與對線粒體功能障礙時對醛的解毒作用[26]。在幾個不同植物物種中，也研究了同一種細胞類型的線粒體蛋白質組中的變化。在豌豆、玉米和番茄中研究了小熱休克蛋白的熱激誘導作用[27-28]。作為對脅迫信號的反應，可替代呼吸作用的旁路途徑和甲酸脫氫酶的誘導作用，也有所報道[29]。在擬南芥線粒體蛋白質組中的氧化脅迫誘導變化也顯示了一種蛋白質分解和新蛋白質累積的模式，該模式反應了三羧酸循環和呼吸系統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作用[22]。通過比較線粒體蛋白質組來鑒定細胞雄性不育原因的研究發現：蛋白質的豐度發生了微妙變化[27-28]。最近一個關于玉米線粒體蛋白質組的T型細胞質的影響研究發現：從具有T型或NA型細胞質的細胞中分離出來的線粒體，編碼的蛋白質豐度不同。這表明作為細胞質線粒體基因組的表達，能夠影響核編碼線粒體靶向蛋白質的基因轉錄和翻譯，最終影響線粒體蛋白質組[30-32]。

5 展 望

有效的定位預測方法以及更深入的蛋白質組學研究可以使我們對線粒體中蛋白質有更進一步的了解和認識[33]。當這些蛋白質被組織或細胞類型或環境因素影響時，我們則可以運用比較蛋白質學和cDNA微陣列測定這些蛋白質的累積和表達模式，而被稱作后蛋白質組學或功能蛋白質組學的研究，則應該是在對個別蛋白質翻譯后修飾效果的理解下，并針對這些蛋白質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行深入研究，從而將這些蛋白并入細胞的代謝網絡。因此，對植物線粒體的研究尚待進一步深入。

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