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5月25日Nature在线发表了文章标题是“Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling”研究论文。本文通讯作者是来自美国摩根吉研究所的Joshua J. Coon教授和华盛顿大学医学院的David J. Pagliarini教授。在本研究中，作者通过联合CRISPR/Cas9、LC-MS/MS、GC-MS和基因测序等一系列技术，对实验对象实现了蛋白质组学、脂质组学以及代谢组学方面的分析，揭示了线粒体蛋白与疾病之间的关联。
线粒体可能是 α 变形菌和真核生物祖先之间的古代共生事件的残留物。近几十年来，研究人员已经确定了线粒体其中的核心蛋白成分，并试图将其功能障碍与150多种疾病联系起来。然而，目前为止，数百种线粒体蛋白的功能仍未有效表征，线粒体相关遗传疾病的分子基础仍未可知。基于此，本文中，作者通过CRISPR/Cas9技术构建了203株细胞核编码线粒体基因敲除HAP1细胞系，并对其进行了蛋白质组学、脂质组学和代谢组学分析。
作者将敲除株分成两大类。其一称之为已经功能的蛋白，这些蛋白基因都有着较为明确的注释，以此作为正对照。其二是线粒体中功能未被明确表征的蛋白，命名为MXP（Mitochondrial uncharacterized (x) proteins，MXPs）。通过多重深度分析，他们发现，脯氨酸从头合成的关键酶的破坏确实导致了脯氨酸的缺乏，但是线粒体NAD激酶NADK2的敲除同样导致了类似的表型。类似的，他们成功总结了一系列蛋白质特异性分子表型，并提出了一系列线粒体蛋白在不同领域的新功能，包括氧化还原生物学、MICOS完整性、蛋白酶功能、线粒体DNA调控和糖原代谢等诸多方面。而其汇总的资源称为MITOMICS，便于其他研究者进行查阅。
CoQ及其复合物I（CI）缺陷导致的疾病所依赖的蛋白还未被鉴定。作者通过对数据进行深度分析发现，CoQ水平在受到合成所需蛋白影响之外，还受到PIGY上游开放阅读框（PYURF）的严重影响。为了分析其中的分子机制，他们分析了PYURF敲除株的完整蛋白质组学谱及相互作用组学信息后，他们发现PYURF与CoQ5和NDUFAF5的直接相互作用介导了这一信号通路。在血缘关系密切的表亲所生带有CoQ相关先天严重代谢性酸中毒的孩子体内，PYURF基因出现了移码。体外实验结果显示，PYURF突变体确实与其敲除细胞系表型一致。这一方面意味着，这一疾病的机制与PYURF有关，且MITOMICS资源为线粒体蛋白功能的解析与罕见疾病遗传原因的探索提供了帮助。
后续的分析中，t-SNE空间聚类结果显示，氧化磷酸化和线粒体核糖体关系密切，这与报道的一致。同时，其中RAB5IF和TMCO1之间存在强烈的联系。蛋白质组学结果显示，TMCO1即使在过表达的情况下，缺少RAB5IF后都无法有效的积累，同时其mRNA水平却不受影响，反之亦然。TMCO1的突变可导致脑面胸发育不良，也被称为颅面畸形、骨骼异常和智力迟钝综合征（CFSMR）。他们认为，TMCO1与RAB5IF具有紧密联系，那RAB5IF突变可能是CFSMR未解决病例的基础。对患者活检后得到的细胞后发现，这些细胞表现出RAB5IF和TMCO1的缺失，而通过转染将野生型(WT) RAB5IF GFP重新导入这些细胞，导致TMCO1水平大幅增加，明确表明RAB5IF缺陷是导致这一现象的原因。
综上，作者通过多重深度组学检测与分析策略，对功能未鉴定的线粒体蛋白的生物学功能进行系统性分析，揭示了遗传疾病的潜在线粒体相关靶点，对线粒体相关疾病的遗传诊断来说具有重要意义。
文章链接：
Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling. Jarred W. R., Evgenia S., Nature, volume 606, pages382–388 (2022)
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04765-3
原文引用：DOI: 10.1038/s41586-022-04765-3
