由美国麻省理工学院和哈佛大学布罗德研究院、哈佛大学医学院和马萨诸塞州总医院的科学家组成的联合研究小组，创建了迄今为止最全面的细胞线粒体的“组件清单”——一个包含近1100个蛋白质的数据库。通过对这一重要资源的挖掘研究，科学家不仅对几种关键蛋白质的生物角色和进化历史有了更深入的理解，而且确认了一种新的蛋白质编码基因的突变，这个突变会导致致命的线粒体疾病。有关结果发表在7月11日出版的《细胞》（Cell）杂志上。

 

 

1890年，R·阿尔塔曼（Altaman）首次发现线粒体。线粒体是一种微型器官——通常称之为“细胞器”，它存在于从酵母菌到人类的所有真核细胞中。细胞必须有能量的供给才会有活性，线粒体就是细胞中制造能量的器官，科学家因此给线粒体起了一个别名叫做“powerhouse”，即细胞的“发电厂”。

 

生命每时每刻都在呼吸，目的是把氧气吸入体内用于制造生物体可利用的能量分子ATP。线粒体利用氧气制造能量的过程类似于发电厂燃烧煤发电。线粒体内有两个主要部件参与能量的制造，一个部件叫做呼吸链，它直接利用氧气把食物“燃烧”———即细胞内氧化磷酸化，把食物中储存的经过光合作用固化下来的太阳能释放出来；另一个部件叫做三磷酸腺苷酶（简称ATP酶），ATP酶本质上是一个可以发电的分子马达，像锅炉燃煤推动发电机转动产生电流一样，固化的太阳能释放出来推动分子马达的转动以制造能量分子ATP。线粒体不断制造ATP分子是维持生命活力所必需的。

 

在生物体内一系列正常的生物过程，以及异常的发病过程（如糖尿病）中，线粒体也扮演了重要的角色。

 

 

继1963年S·纳斯（Nass）发现线粒体DNA（mtDNA）后，科学家又在线粒体中发现了RNA、tRNA、DNA聚合酶、RNA聚合酶核糖体、氨基酸活化酶等进行DNA复制、转录和蛋白质翻译的全套装备，说明线粒体具有独立的遗传体系。不过，虽然线粒体也能合成蛋白质，但是合成能力有限。线粒体约1200种蛋白质中，自身合成的仅十余种。线粒体的核糖体蛋白和许多结构蛋白，都是核基因编码，在细胞质中合成后定向转运到线粒体的，因此线粒体被称为半自主细胞器。

 

即使现在已经有大量的基因组序列数据，科学家还是不能确认，究竟是哪些基因主宰了大约1200个让线粒体发挥功能的蛋白质的编码。在线粒体中起作用的究竟是哪些蛋白质？这是多年来细胞生物学中一直未能回答的一个基本问题。

 

论文作者之一，布罗德研究院蛋白质组学研究平台主任史蒂夫•卡尔则表示，能够对蛋白质进行大规模测量的技术和分析方法正在改变着科学家对人类生物学的研究。利用这种技术，他们对从14种不同的老鼠组织中分离出的线粒体进行了研究。这是迄今为止科学家完成的对一种细胞器进行的最全面的蛋白质组学分析。

 

研究人员一共鉴定了1098个线粒体蛋白质，并将它们组成了一个名为“MitoCarta”的蛋白质库，这个库将对所有科研人员开放。领导此项研究的哈佛医学院助理教授范思·穆萨指出，这个线粒体“蛋白质清单”的创建，将有助于研究者更好地理解线粒体生物学和线粒体疾病。

 

 

值得指出的是，在这个清单中有大约三分之一的蛋白质以前是从未和细胞器联系在一起的。为了进一步研究这些新发现的线粒体蛋白质的功能，研究人员对几百个物种——从人类、鱼类到真菌和细菌——中对应的基因序列进行了比对。穆萨说：“在进化过程中，功能相同的蛋白质通常拥有相似的历史，它们往往是集体性获得或消失。我们就是利用这种进化趋势来破译这些线粒体蛋白质是如何发挥功能的。”

 

研究人员从进化的角度对细胞器的蛋白质进行了仔细检测，并且惊奇地发现，一组关键的线粒体蛋白质从几种单细胞物种中消失了。在拥有它们的有机物（包括人类和其它哺乳动物）中，这些蛋白质组成了一个靴子状的多蛋白结构，称为“复合物I”，它是能量产生过程中一个关键步骤的通路。

 

这些发现不仅加深了科学家对线粒体生物学的认识，也为科学家在线粒体疾病研究方面取得突破铺平了道路。几十年来，医学研究者已经诊断出某些疾病源于“复合物I”型缺陷，这些缺陷是遗传性的，会影响到五千分之一的新生婴儿，在婴儿生长的最初几年有可能是致命的，但是致病基因却一直没有找到。借由“MitoCarta”蛋白质库以及其相应的进化分析，澳大利亚墨尔本大学和皇家儿童医院的研究者最近确认，在一个名为C8orf38新基因中的一个突变，就是导致“复合物I”型疾病的元凶。

 

穆萨认为，这个蛋白质清单，不仅对一些罕见的新陈代谢疾病的治疗，也为那些常见病的治疗开启了一扇希望之窗。（来源：科技日报 李学华）

 

（《细胞》（Cell），Vol 134, 112-123, 11 July 2008，David J. Pagliarini, Steven A. Carr and Vamsi K. Mootha）