Cell子刊：線粒體是如何演化的？

日期：2016-05-20 09:13:31

線粒體是人體細(xì)胞的“發(fā)電站”。它們提供了細(xì)胞代謝所需的能量。但是，這些“發(fā)電站”是如何進(jìn)化的？它們是如何構(gòu)建的呢？近期，來(lái)自德國(guó)弗萊堡大學(xué)的研究人員研究了所謂的氧化酶裝配（OXA）機(jī)器，在線粒體內(nèi)膜發(fā)育和細(xì)胞能源供應(yīng)中所起的作用。Jan Höpker、Silke Oeljeklaus、Nikolaus Pfanner、Sebastian Stiller、Bettina Warscheid、Nils Wiedemann幾位博士及其研究小組已經(jīng)證明，這種蛋白質(zhì)復(fù)合物對(duì)于某些蛋白質(zhì)整合到線粒體內(nèi)膜，是至關(guān)重要的——這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞呼吸和其他進(jìn)程中發(fā)揮作用。科學(xué)家們將這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在5月10日的《Cell Metabolism》雜志上。

線粒體來(lái)源于細(xì)菌，這意味著它們有自己的DNA分子，其中記錄著一些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。在線粒體的細(xì)菌前體中已經(jīng)存在一種OXA樣的機(jī)器，并且在進(jìn)化過程中是保守的。根據(jù)線粒體的遺傳物質(zhì)所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，被OXA整合到線粒體內(nèi)膜中。然而，99%的蛋白質(zhì)的遺傳信息，被存儲(chǔ)在細(xì)胞核中。細(xì)胞在細(xì)胞質(zhì)中產(chǎn)生這些蛋白質(zhì)分子，隨后是TOM——“外膜移位酶”，和TIM——“內(nèi)膜移位酶”將它們運(yùn)輸通過外膜和內(nèi)膜，進(jìn)入線粒體。但是，直到現(xiàn)在，這些輸入的蛋白有多少也被OXA整合到內(nèi)膜中，還不明確。

弗萊堡大學(xué)的研究人員系統(tǒng)地尋找了被OXA整合到線粒體內(nèi)膜中的蛋白質(zhì)——在它們通過TOM和TIM被輸入之后。他們使用了一種叫做定量質(zhì)譜測(cè)定的分析技術(shù)，來(lái)確定線粒體內(nèi)膜蛋白，如果沒有OXA它們?cè)诩?xì)胞中會(huì)減少。通過追蹤放射性同位素標(biāo)記蛋白質(zhì)到線粒體內(nèi)膜的整合，他們能夠證明，OXA對(duì)于這個(gè)過程是必要的。

輸入的OXA依賴性蛋白質(zhì)發(fā)揮著重要功能，從細(xì)胞呼吸、金屬離子的交換和生化反應(yīng)，到使代謝產(chǎn)物在內(nèi)膜之間轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白整合。當(dāng)這些呼吸蛋白的整合或功能被阻斷時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致線粒體相關(guān)的神經(jīng)肌肉疾病或癌癥。因此，OXA依賴性的內(nèi)膜蛋白整合——在進(jìn)化上一直是保守的，是線粒體內(nèi)膜形成和人類細(xì)胞能源供應(yīng)的基礎(chǔ)。

在2014年10月，弗吉尼亞大學(xué)研究人員開展的一項(xiàng)最新研究，使用新一代DNA測(cè)序技術(shù)，解碼了18種線粒體近緣細(xì)菌的基因組，表明寄生菌是給細(xì)胞供給能量的線粒體的第一代表親，在它們變成有益之前，首先充當(dāng)這些細(xì)胞中的能量寄生蟲。相關(guān)研究發(fā)表在本周的《PLOS One》雜志。相關(guān)閱讀：華人學(xué)者顛覆當(dāng)前的線粒體起源理論。

線粒體是我們細(xì)胞中的發(fā)電站，對(duì)生命至關(guān)重要。當(dāng)它們?cè)馐艿絹?lái)自毒物、環(huán)境壓力或遺傳突變的攻擊時(shí)，細(xì)胞會(huì)扳開這些發(fā)電站，除去受損的部件，將它們重新組裝為可用的線粒體。今年1月份，Salk研究所的科學(xué)家們揭示出，細(xì)胞以一種意外的方式觸發(fā)了對(duì)威脅產(chǎn)生的這一至關(guān)重要的反應(yīng)，提供了有關(guān)線粒體疾病、癌癥、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病——尤其是與線粒體功能障礙相關(guān)的帕金森病等疾病的一些新見解。這項(xiàng)研究工作發(fā)布在1月15日的《科學(xué)》（Science）雜志上。