医学研究中线粒体蛋白质组学的应用

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摘要：线粒体是真核细胞内重要的细胞器，除作为能量工厂外，还参与多种生理病理活动。本文综述了线粒体蛋白组分的制备、线粒体蛋白质组相关数据库以及线粒体蛋白质组学在肿瘤、衰老性疾病、缺血性损伤、脑损伤及药物治疗方面的应用。

关键词：线粒体；蛋白质组学；应用

粒体是真核细胞内重要的细胞器，除作为能量工厂外，还参与多种生理病理活动。许多物种的线粒体及其亚结构的蛋白质组学己得到研究，并构建了一些线粒体蛋白质组数据库；对不同生理、病理状态下的线粒体蛋白质组学也进行了大量的研究，发现了一些疾病相关的线粒体蛋白质，为线粒体相关的疾病诊断和治疗提供了重要的标志物和药物作用靶点。本文综述了线粒体蛋白质组学在医学研究中的应用。

1 钱粒体蛋白组分的制备线粒体分离过程包括组织细胞的破碎和线粒体的分离两个主要阶段。组织细胞破碎可采用渗透压冲击、超声波震荡、机械力研磨或剪切等方法，整个过程中用显微镜监控以确保细胞器结构完整。所得匀浆再根据其理化特性进一步分离纯化。离心技术是线粒体提取最常用的方法。目前有许多种梯度介质如煎糖、Ficoll、Percoll、Nycodenz和Metrizoate等成功用于细胞器的分步分离。Scheffler等[1]采用多步percoll/metrizamide密度梯度离心纯化线粒体样品，大大减少了非线粒体蛋白的污染，双相电泳后鉴定出61个蛋白质，几乎全部是线粒体蛋白质。

SonjaHartwig等比较了煎糖密度梯度超速离心法、自由流动电泳技术及商业化的试剂盒三种线粒体分离方法，发现自由流动电泳技术分离纯化得到的线粒体其完整性及富集度最高，但其费用也最昂贵1210Garcia-CazarinML等成功地从大鼠和小鼠的排肠肌、横踊膜以及大鼠眼外肌中分离出了线粒体，并采用极谱法测定了线粒体功能[3]。在分离过程中，保持缓冲液和试剂的新鲜以及保持样本的冷冻非常重要。由于各个亚细胞结构性质的相似性 和结构功能上的内在联系，目前尚无单一的方法能达到很好的分离效果，因此亚细胞结构的分离和纯化一直以来是科研工作者的一大挑战。由于线粒体提取过程中不可避免地会受到其它细胞器的污染，因此常常需要对提取的线粒体结构进行纯度评价，目前常用的评价方法有电子显微镜检测、标志酶活d性测定及WestemBlot检测方法。

2 线粒体蛋白质组学数据库目前对线粒体蛋白质组的研究工作主要有两方面的内容，一是通过高通量的蛋白质组研究技术得到正常生理条件下的蛋白质图谱，建立相应的数据库；二是比较不同环境下线粒体蛋白质组的变化情况，以发现有差异的蛋白质种类为主要目标。通过这两种工作可以进行比较蛋白质组学研究，从而对一些线粒体相关疾病的机理进行探索。

目前线粒体蛋白质组数据库有MITOP、MitoP2和SWISS-PROT三种。线粒体功能蛋白质数据库为研究线粒体疾病及线粒体功能失调、疾病诊断标志及药物靶点提供了必不可少的数据。Rabilloud等于1998年利用健康人的胎盘组织，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谱图，为研究遗传性或获得性线粒体功能障碍时线粒体蛋白质的变化情况提供了依据[41Mootha等分 别对小鼠大脑、心脏、肾脏、肝脏的线粒体蛋白质组进行了比较研究，总共鉴定了591个蛋白质，发现不同组织线粒体蛋白的表达量同RNA丰度基本一致，而且线粒体在蛋白水平和RNA水平上都表现出组织差异性l坷。

3 线粒体蛋白质组学在医学研究中的应用

3.1 线粒体蛋白质组学应用于衰老性疾病的研究

YashuLiu等分别运用2-DE和同位素编码亲和标记技术（isotopecodingaffinitylabellingtechnique，ICAT）对衰老加速型小鼠（SAMP8模型）功能异常的肝脏组织进行了线粒体蛋白质组学研究，发现其中表达下降的蛋白主要与脂肪酸代谢、三竣酸循环、及氧化磷酸化作用相关，而高表达蛋白主要涉及谷氨酷胶合成，同时还发现甘油三醋、谷氨酷胶、蛋白氧化、脂质过氧化物等增高，而乙酷辅酶A和ATP含量下降，这从蛋白水平为衰老加速肝功能障碍提供了新的信息，有助于其分子机制的理解闷。

David等研究了阿尔茨海默病的P301LTau转基因小鼠的蛋白质表达谱，发现发生改变的主要是 与新陈代谢相关的蛋白，包括线粒体呼吸链复合物组成部分、抗氧化酶类、突触蛋白等。随后的功能分析提示，P301LTau转基因小鼠线粒体对自-淀粉样蛋白损伤较为敏感，Tau蛋白和白-淀粉样蛋白对线粒体损伤有协同作用口]。

3.2线粒体蛋白质组学应用于肿瘤疾病的研究

Isidoro等检测了乳腺癌与正常乳腺组织线粒体蛋白表达的差异，发现W-ATP合成酶自亚基（白-FI-ATPase）/Hsp60比例在乳腺癌中升高，临床调研结果还显示自-FI-ATPase表达水平与乳腺癌的预后密切相关[80Kim等采用蛋白质组学技术在人胃癌细胞系AGS中发现了4种高表达的线粒体蛋白质：泛醇-细胞色素C还原酶、烯酷辅酶A水解酶、HSP60、线粒体延伸因子Tu，为了解癌细胞线粒体改变情况提供进一步线索，并提示这些蛋白质可能是癌细胞潜在的线粒体生物标记物阳]。

3.3线粒体蛋白质组学在缺氧缺血损伤研究中的应用

线粒体是细胞呼吸的主要场所，三竣酸循环和氧化磷酸化都是在线粒体中进行，线粒体除了通过位于其内膜的电子传递链即呼吸链发挥细胞呼吸的功能外，在维持细胞正常物质代谢及离子转运中也具有重要作用。细胞缺氧后除线粒体呼吸链电 子传递受阻、能量代谢障碍、各种生理学指标改变外，还表现为细胞色素C释放，活性氧生戚，线粒体通透性转运孔开放等川。线粒体膜上还有多种离子通道介导离子转运，其中许多是高度特异的载体，其功能状态直接影响线粒体乃至整个细胞的功能。许多研究表明，线粒体损伤可能是细胞缺氧损伤的中心环节。

杨涌涛等观察正常与脑缺血大鼠脑皮质线粒体蛋白表达变化，纯化线粒体蛋白进行二维电泳，对差异蛋白质用HPLC-ChipIMS纳流液质联用技术进行分析鉴定，结果发现正常与脑缺血大鼠脑皮层线粒体蛋白表达存在显著差异，这些差异蛋白经鉴定主要为TUC-4b、肌酸激酶同工酶、线粒体核糖体蛋白S27、细胞色素氧化酶、FI-ATPbeta链等蛋白，表明脑缺血可导致皮层线粒体相关蛋白表达变化，其作用可能与线粒体能量代谢、凋亡有关口飞Kim等采用兔的心肌缺血再灌注（ischemia-repe出sion，IR）模型，应用2-DE和MALDI-TOF-MS联用技术检测了缺血-再灌注心肌中线粒体蛋白质表达情况， 辨别出23个线粒体蛋白质在IR心肌中出现了不同程度的表达，这些蛋白质大部分与线粒体呼吸链和能量代谢有关，其研究结果有助于进一步阐述缺血再灌注损伤及缺血预适应保护机理H飞XiaoYY等也应用2-DE和MALDI-TOF-MS联用技术研究了七氟酷延迟预处理对大鼠心肌缺血再灌注心肌保护作用及机制，结果表明七氟酷延迟预处理可诱导大鼠心肌蛋白质组重建，主要涉及ATP产生和转运相关蛋白川。

3.4线粒体蛋白质纽学在脑损伤研究中的应用

OpiiWO等采用大鼠脑皮质撞击模型，对外伤性脑损伤（traumaticbraininjury，TBI）后线粒体蛋白的氧化修饰进行研究，损伤后3h对皮质及海马区线粒体断片进行了蛋白质组学研究，发现TBI后与线粒体生物能学相关的蛋白发生了显著的氧化修饰改变，如皮质区的丙酣酸脱氢酶、电压依赖性阴离子通道、延胡索酸水合酶、ATP合酶以及海马区的细胞色素C氧化酶Va、异戊酷辅酶A脱氢酶等问。这些蛋白的改变可能与试验中后续出现的线粒体能量代谢崩愤及最终的细胞死亡有关，该研究为TBI的继发性损伤机制及后续治疗提供了新的线索。

3.5线粒体蛋白质纽学在药物治疗方面的研究

JiB等利用双向电泳结合MALDI-TOF/MS技术研究了3种抗精神病药物对大鼠脑皮质及海马区线粒体的影响，发现氯丙嗦、氯氮平、唾硫平等抗精神病药物可使线粒体中与呼吸链电子传递相关的蛋白，如NADH脱氢酶1α、NADH脱氢酶黄素蛋白2、ATP合酶等的表达量发生明显变化，这在一定程度上解释了3种抗精神病药物的作用机理及其各自的副反应问。VanLaarVS等利用双向差异凝胶电泳结合荧光标记法研究多巴胶苯酿暴露对脑线粒体蛋白的影响，发现线粒体肌酸激酶、致死蛋白、NADH脱氢酶亚单位（75kDa）、超氧化物岐化酶2等表达下降，提示特异的线粒体蛋白易受多巴胶氧化影响，并暗示线粒体的稳定性与帕金森神经退行性变的关系问。

4 线粒体蛋白质组学研究存在的问题线粒体蛋白质组学研究面临的首要问题是小分子蛋白、碱性蛋白及膜蛋白的鉴定。线粒体蛋白质中小分子蛋白及碱性蛋白所占比例较大，这在传统的2-DE中对于等点聚焦IPG胶条及分离胶的选择具有很大挑战。此外，线粒体是一个具有双层膜结构的细胞器，内膜和外膜上整合有很多膜蛋白质，这些膜蛋白质对于线粒体功能的发挥具有重要作用，但由于膜蛋白质具有很强的疏水性，其溶解性低，容易在普通2-DE的一相等点聚焦时沉淀下来，影响其后续研究。针对此问题，非变性聚丙烯酷胶凝胶电泳（‘blue-native'2DE，2DBN-PAGE）将蛋白复合物保持其天然状态溶解后进行一相分离，在二相电泳时再将其变性分解为各自组成亚单位，不仅有利于线粒体膜蛋白的溶解，对其进行有效的分离鉴定，而且有助于研究蛋白质之间相互作用问。多种方法相互结合也有助于解决疏水蛋白质的榕解问题。如Feamley等将一维、二维电抹和反相高效液相色谱法联合运用分离了牛心线粒体呼吸链复合体I-NADH，结合肤指纹图谱及氨基酸测序串联质谱鉴定了其蛋白组成闷。

5 结语随着对线粒体各种功能以及其与人类疾病关系的不断深入研究，线粒体再度成为生命科学和分子医学中的研究热点之一。线粒体蛋白质组作为全细胞蛋白质组的组成部分，其研究结果一方面有助于形成完整的细胞蛋白质组图谱，降低蛋白质组分的复杂程度，使得一些相对低丰度的蛋白得以呈现；另一方面可以提示蛋白的亚细胞定位和功能信息，从而为线粒体相关疾病提供更有针对性的疾病蛋白质组的信息。

可以看出，线粒体蛋白质组学还有很大发展空间，在鉴定更多蛋白质的同时，更应关注的是明确这些蛋白的定位和功能，进一步解析线粒体作用机制的奥秘。随着线粒体蛋白质组学研究不断深入，相信预防和治疗线粒体相关疾病将成为可能。

【参考文献]

[1]SchefflerNK，MillerSW，CarrollAK，etal.Two-dimensionalelectrophoresisandmassspectrometricidentificationofmitochondrialproteinsfromanSH-SY5Yneuroblastomacellline[J].Mitochondrion，2∞1，1（2）：161-179.

[2]SonjaHartwig，ChristianFeckler，StefanLehr.Acritical∞mparisonbetweentwoclassicalandakit-basedmethodformitochondriaisolation[J].Proteomics，2∞9，9：3209-3214.

[3]Garcia-CazarinML，SniderNN，AndradeFH.Mitochondrialisolationfromskeletalmuscle[J].JVisExp，2011，30（49）：2452.

[4]RabilloudT，KiefferS，ProcaccioV，etal.Two-dimensional