撰文
望夜
线粒体是真核细胞代谢和产能的中心。目前认为，线粒体很可能源于一种远古变形菌与真核祖先的一次内共生事件，并演化至今。如今，线粒体中仍然带有其原核祖先的基因组残留，如人源线粒体可编码13种蛋白，而其他组分蛋白则由核基因组编码，它们可能是在超过10亿年的漫长进化中逐渐由线粒体基因组迁移或添加到核基因组中去的。
经过数十年的系统研究，科学家现已建构出线粒体核心蛋白组分，并将这些蛋白的功能障碍与超过种不同疾病联系起来。但是仍有数百种线粒体蛋白的特征缺乏认识或完全未知，同时约有40%的线粒体相关疾病的分子机制未知，严重阻碍这些疾病的诊断和药物开发，使相关病人长期处于无药可用的状态。
为建立一个完整的人源线粒体功能谱，年5月25日，华盛顿大学医学院的DavidJ.Pagliarini课题组与Morgridge研究所的JoshuaJ.Coon课题组合作在Nature杂志发表题为Definingmitochondrialproteinfunctionsthroughdeepmultiomicprofiling的研究文章，利用基于质谱的多组学技术分析超过株经CRISPR介导的单倍体HAP1细胞敲除株，获得细胞对线粒体扰动的深度分析并提供蛋白功能的机制认知。
本文使用的方法基于Pagliarini课题组此前发表的一种整合系统生化方法，通过改进高通量定量质谱使其应用于酿酒酵母中线粒体未知蛋白（MXP）的功能研究。在本文中，作者进一步优化该方法，并用于株人源HAP1细胞株的分析，它们均已通过CRISPR-Cas9系统敲除掉核染色体中的线粒体蛋白编码基因，包括50个编码MXP，及66个编码功能被部分揭示的哨兵蛋白，后者大多对应某项人类疾病。
作者监测每个细胞株的生长速率，并使用高分辨率质谱进行分析，总计进行约3次气相色谱-和液相色谱-质谱分析（图1），产生出约8.3m的定量数据。对每一个细胞株，作者鉴定出种蛋白、种脂质和种代谢物。通过对多组学数据进行简单分子中心分析，可以验证蛋白已知的生物学功能并提示其潜在的新功能。例如，敲除脯氨酸从头合成中的关键酶ALDH18A1必然导致脯氨酸不足；但当敲除线粒体NAD激酶NADK2时，也会导致相似的脯氨酸缺乏。类似地，脂质数据显示，缺乏TAZ和CPT2的细胞中无意外地分别出现心磷脂和酰基肉碱的改变；但在线粒体融合调节蛋白MFN2缺失及线粒体接触位点和嵴组织系统成员（MICOS）或PPTC7敲除的细胞中，也观察到类似改变。上述发现强调线粒体膜与脂质代谢过程中的互作应予以重视。
图1本研究的实验流程概览
蛋白质组数据还可用于发现新生物学机制。一个最突出的例子就是对推测的锌离子转运蛋白SLC30A9的分析。作者发现，敲除SLC30A9导致线粒体中核糖体和氧化磷酸化蛋白大量丢失。近期的冷冻电镜研究显示线粒体核糖体存在罕见的锌离子结合基序，参与稳定结构及其与亚基的互作。相对应地，作者发现在SLC30A9敲除细胞株中，全部6种线粒体DNA编码的氧化磷酸化亚基蛋白的含量均显著下降，其作用等效于线粒体核糖体哨兵蛋白MRPS22敲除。作者进一步通过免疫杂交验证上述分析结果。结合前期研究基础，作者断定SLC30A9是一个锌离子相关转运蛋白，在线粒体核心生理过程中发挥关键作用。
由于许多诊断为线粒体功能紊乱的病人常出现辅酶Q或线粒体复合物I（CI）缺失，作者接下来重点