植物线粒体蛋白质组的研究进展

黄凤兰，陈芳艳，庞洪影，孟凡娟

（1.内蒙古民族大学生命学院，内蒙古 通辽 028000；2.东北林业大学生命科学学院，哈尔滨 150040）

一般来说，植物线粒体蛋白质组包含有2 000～3 000种不同的基因产物，而目前已鉴定约400多种线粒体蛋白质，主要包括：呼吸作用复合体、超级复合体亚基、磷酸化蛋白和氧化蛋白，还发现一系列新的线粒体蛋白质，并探明线粒体的一些新功能及代谢的机制。例如：在拟南芥（Arabidopsis）线粒体中，发现70多种已被鉴定的蛋白质与任何一种已知功能的蛋白质都不同。而且在一些研究中，还发现一些未知蛋白质，这些蛋白质是蛋白质复合体的主要组成部分，因此对线粒体蛋白质还需进行深入研究。

1 植物线粒体的功能

植物线粒体的首要作用是参与有机酸的呼吸氧化作用及通过呼吸电子传递链将电子传递给O2并伴随ATP合成。而线粒体也有许多重要的其他功能，如：核甘酸的合成，氨基酸和脂质代谢，维生素和辅因子的合成，参与光呼吸途径以及介导大范围的细胞生物合成和有机酸的输出。为了实现这些复杂的功能，线粒体包含多种蛋白质。通常线粒体的大部分蛋白质在细胞核中编码，然后主动运输至线粒体中，同时小分子物质可通过膜运载体和膜通道进出线粒体，而这些小分子物质是呼吸作用的燃料及细胞生物合成的产物，可以协调细胞分裂，发育变化及环境胁迫后的信息传递，而线粒体主要通过信号级联反应进行感知，而分析这些过程的关键是明确线粒体中有关参与这些功能的所有蛋白质元件的准确信息，而这些蛋白质信息的集合被称作是线粒体蛋白质组。

线粒体蛋白质组中的许多核编码的蛋白质都是以信号序列为靶向细胞器，信号序列主要位于蛋白质氨基末端。理论上，这些蛋白质可以通过生物信息工具分析信号序列中共同的已被鉴定的特点来预测。使用这些生物信息工具，模式植物核基因组编码的数千种蛋白质被预测为线粒体蛋白质[1]。在植物中，线粒体蛋白质组的大范围的分析正在进行[2]，且通过氧化还原反应和磷酸化作用进行蛋白质组的翻译后修饰的详细研究结果也已经发表[3]。整合这些预测数据和实验数据，可以为深入了解线粒体蛋白质组及其翻译后的修饰，以便更深入地了解其在植物体中线粒体的功能。

2 植物线粒体蛋白质组功能预测的研究进展

利用蛋白已明确的特征以及一系列计算模型均可以对亚细胞进行定位预测，特别是基于蛋白质N-末端区域的亚细胞定位预测，蛋白质N-末端区域包含前序列定位信息。现已经形成了几个共享的可获得的程序，这些程序能够可以用来预测蛋白质亚细胞定位，而且还可以用来预测线粒体定位。MitoProt II[4]、PSORT[5]和 iPSORT[6]利用之前确定好的信号肽参数预测亚细胞定位。利用TargetP[7]、Predotar[8]和 SubLoc[9]这三个程序技术进行亚细胞预测，通常像这样的程序一般可以预测拟南芥线粒体蛋白质的5%～10%。比较每个预测程序所获得的预测结果表明，预测程序之间的相同预测结果集很小，约是拟南芥所有蛋白质的3%，暗示在这些已预测的数据集中有相对大的非重叠阳性集[1-2]。Richly等使用序列相似性配对和N-末端定位预测，分析了一系列不同真核生物基因组并提出了推测的线粒体蛋白质组，每个蛋白质组包含的蛋白质种类的变化范围从1 000～4 000[1]；拟南芥中假定的线粒体蛋白质组被认为含有约3 000种蛋白质。一种更先进的完善预测的方法是利用更多的来自主序列的基础信息进行位置预测。利用功能结构域组分的杂合体和拟氨基酸组分[10]或蛋白质家族（Pfam）结构域组分，已经成功地为亚细胞定位预测提供了工具，且准确率相似于或超过N-末端定位的预测。这些基于前序列和成熟蛋白质序列结合的方法不局限于蛋白质的传统定位机制。但是，所有的这些预测数据集或它们的组合的真实性有待于一次全面的预测数据与更多的实验数据集之间的比较。

3 利用蛋白质组学研究线粒体蛋白质功能

基于较早的蛋白质组研究结果，拟南芥的416种线粒体蛋白质已被鉴定[2]。已被鉴定的蛋白质的分子质量，等电点及疏水性分布的发现使得利用无凝胶策略在鉴定大分子蛋白质，小分子蛋白质和碱性蛋白质以及低丰度蛋白质时更加成功。其中被鉴定的蛋白质多为多功能蛋白。例如，三羧酸（TCA）循环中的30种蛋白质，电子传递链中的78种蛋白质及氨基酸代谢途径的20多种蛋白质，包括线粒体中涉及的光呼吸作用的蛋白质，在拟南芥中已被鉴定。尽管在植物线粒体中这些被预测的蛋白质数量较大，但是研究较深入的还较少，同时我们必须注意的是有关线粒体蛋白质组学主要针对模式植物，如拟南芥和水稻，而对其他植物开展的还较少[11-13]。

3.1 新陈代谢与生物合成

在植物线粒体中，核苷酸、有机酸及细胞色素P450代谢等作用元件已被鉴定，为进一步对这些途径的研究提供了基础。其中推测为线粒体次黄嘌呤核甘酸脱氢酶和氨基咪唑核糖核苷酸合成酶已被鉴定，为植物线粒体中嘌呤生物合成的研究提供了一个起点[12]。γ-氨基丁酸支路途径的大部分酶也已被鉴定，该途径在细菌系统中，研究得很多，但是植物线粒体中该途径的重要性直到最近才被注意到[14]。一种与线粒体类的肾上腺皮质铁氧还蛋白非常相似的蛋白质也已被发现，在哺乳动物线粒体中该蛋白称为肾上腺皮质铁氧还蛋白。在哺乳动物中，这些蛋白质可以利用线粒体中的肾上腺皮质铁氧还蛋白还原酶还原细胞色素P450。最近，Picciocchi等也证明了植物线粒体中肾上腺皮质铁氧还蛋白和肾上腺皮质铁氧还蛋白还原酶在生物素合成中的作用[15]。也有证据表明，在植物体中，植物线粒体细胞色素P450的活性[16]和在拟南芥中几种位于线粒体中的细胞色素P450相似[17]，都可能利用该肾上腺皮质铁氧还蛋白系统。

3.2 氧化胁迫和氧化还原调控

超氧化物歧化酶和谷胱甘肽还原酶均位于植物线粒体中，但是在氧化条件下，直接与氧自由基消除有关或间接与氧化还原作用的内环境稳态有关的其他蛋白质还未被鉴定出来[18]。用蛋白质组学分析法表明：硫氧还蛋白依赖的过氧化物酶，硫氧还蛋白依赖的蛋白二硫键异构酶（PDI），谷胱甘肽转移酶等均为线粒体蛋白[19]，这些蛋白的鉴定加深了我们对植物线粒体硫氧还蛋白系统的认识[20]。其中硫氧还蛋白依赖的过氧化物酶可能是植物线粒体能够代谢H2O2的一种机制。尽管线粒体PDI亚型在哺乳动物中已经被证明[21]，但是植物线粒体中的PDI的作用还未进行研究。当PDI被硫氧还蛋白还原酶还原时，PDI在线粒体中可能的作用方式有以下几种：消除氧化时产生的异常二硫化物；提高新合成蛋白质的正确折叠率以替代受损蛋白；或者直接还原激活参与抗氧化防御蛋白所需要的二硫化物[22]。

3.3 细胞信号元件

作为线粒体内部的信号元件的活性氧类，激酶及磷酸酶很重要，但是该机制元件只有少数几种被鉴定，且直到最近才知道该途径的少数靶位点，其中蛋白激酶，与蛋白磷酸酶、核苷酸、Ca2+结合蛋白，都被定位于植物线粒体中，并提供了一些在线粒体中瞬间发送信号的机制[2]。此外，现正在用磷酸化蛋白质组学分析法鉴定激酶和磷酸酶的作用靶位点[23]，因此有关方面的研究还处于初级阶段。

4 线粒体蛋白质组元件的发育、遗传及环境胁迫修饰

首先，线粒体蛋白质组不是静态的：它是一个不断变化的过程，反应了在不同植物器官和细胞类型中线粒体的特异作用。甚至在一个特定的细胞类型中，作为对遗传因子，环境影响和编程发育的起始的反应，线粒体蛋白质组都会有所改变。Francs-Small等发现，不同植物器官的线粒体之间差异较大[24-25]。Bardel等对这些复杂的组织特异性改变的蛋白质进行了鉴定[26]。该研究利用质谱测定法或Edman降解法鉴定了豌豆线粒体的可溶性成分的37种不同的蛋白质，发现来自绿叶、黄叶、根及种子的线粒体蛋白质组成明显不同。同时线粒体蛋白质组在光呼吸作用中的作用也已经确定，其中几种不同的醛脱氢酶，可能参与对线粒体功能障碍时对醛的解毒作用[26]。在几个不同植物物种中，也研究了同一种细胞类型的线粒体蛋白质组中的变化。在豌豆、玉米和番茄中研究了小热休克蛋白的热激诱导作用[27-28]。作为对胁迫信号的反应，可替代呼吸作用的旁路途径和甲酸脱氢酶的诱导作用，也有所报道[29]。在拟南芥线粒体蛋白质组中的氧化胁迫诱导变化也显示了一种蛋白质分解和新蛋白质累积的模式，该模式反应了三羧酸循环和呼吸系统中的大部分敏感蛋白的丢失和基于硫氧还蛋白和谷胱甘肽防御的诱导作用[22]。通过比较线粒体蛋白质组来鉴定细胞雄性不育原因的研究发现：蛋白质的丰度发生了微妙变化[27-28]。最近一个关于玉米线粒体蛋白质组的T型细胞质的影响研究发现：从具有T型或NA型细胞质的细胞中分离出来的线粒体，编码的蛋白质丰度不同。这表明作为细胞质线粒体基因组的表达，能够影响核编码线粒体靶向蛋白质的基因转录和翻译，最终影响线粒体蛋白质组[30-32]。

5 展 望

有效的定位预测方法以及更深入的蛋白质组学研究可以使我们对线粒体中蛋白质有更进一步的了解和认识[33]。当这些蛋白质被组织或细胞类型或环境因素影响时，我们则可以运用比较蛋白质学和cDNA微阵列测定这些蛋白质的累积和表达模式，而被称作后蛋白质组学或功能蛋白质组学的研究，则应该是在对个别蛋白质翻译后修饰效果的理解下，并针对这些蛋白质和它们催化的代谢途径之间的相互作用以及这些途径中的一些通路进行深入研究，从而将这些蛋白并入细胞的代谢网络。因此，对植物线粒体的研究尚待进一步深入。

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