線粒體相關(guān)疾病蛋白質(zhì)組學(xué)研究進展

1、線粒體相關(guān)疾病蛋白質(zhì)組學(xué)研究進展 【關(guān)鍵詞】 線粒體；疾?。坏鞍踪|(zhì)組學(xué)【摘要】 作為后基因時代的一門新學(xué)科，蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)為線粒體蛋白質(zhì)組的研究提供了有力的支持，使得從整體上研究線粒體蛋白質(zhì)組在生理、病理過程中的變化成為可能. 本文回顧了近年來國外學(xué)者應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法揭示相關(guān)疾病線粒體蛋白質(zhì)存在相應(yīng)的變化，以及通過對線粒體蛋白質(zhì)組的研究去發(fā)現(xiàn)線粒體蛋白質(zhì)在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，從而為尋找與疾病密切相關(guān)的疾病特異性蛋白提供線索.【關(guān)鍵詞】 線粒體；疾?。坏鞍踪|(zhì)組學(xué)0引言二十一世紀(jì)初，人類基因組計劃基本完成. 生命科學(xué)研究步入了后基因時代，其核心便是蛋白質(zhì)組研究. 蛋白質(zhì)組被定義為：一種

2、細(xì)胞、組織或完整的生物體所擁有的全套的蛋白質(zhì). 這是一個整體的、動態(tài)的概念.而蛋白質(zhì)組學(xué)是研究這些成分在指定時間或特定環(huán)境條件下的表達(dá). 因為蛋白質(zhì)是我們理解細(xì)胞功能和疾病過程的核心，如果在蛋白質(zhì)組學(xué)方面沒有共同的努力，基因組學(xué)的成果將不會成為現(xiàn)實. 蛋白質(zhì)組學(xué)現(xiàn)在被認(rèn)為是一個在診斷和發(fā)現(xiàn)伴隨細(xì)胞器變化的復(fù)雜疾病的強有力的工具. 迅速發(fā)展的蛋白質(zhì)組學(xué)也推動了線粒體蛋白質(zhì)組的研究發(fā)展.近年來國外學(xué)者應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)研究方法揭示相關(guān)疾病線粒體蛋白質(zhì)存在相應(yīng)的變化，并通過對線粒體蛋白質(zhì)組的研究去發(fā)現(xiàn)線粒體蛋白質(zhì)在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，從而為尋找與疾病密切相關(guān)的疾病特異性蛋白提供線索. 現(xiàn)就近年來，相關(guān)

3、疾病線粒體蛋白質(zhì)組的研究進展作一綜述.1線粒體相關(guān)疾病蛋白質(zhì)組學(xué)研究線粒體是真核細(xì)胞中最復(fù)雜和最重要的細(xì)胞器之一，哺乳動物除成熟紅細(xì)胞外，線粒體普遍存在于有氧呼吸的真核細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中. 它是細(xì)胞內(nèi)的能量供應(yīng)中心，與氧自由基生成有關(guān). 線粒體在脂肪酸代謝、嘧啶生物合成、體內(nèi)鈣平衡，以及細(xì)胞信號傳導(dǎo)中起著主要作用. 同時，線粒體也是人類“另一”個來源于母系基因組的所在地. 許多細(xì)胞進程,如凋亡、老化以及多種疾病病理學(xué)機制(包括癌、肌病、糖尿病、肥胖、老化、特別是神經(jīng)退行性疾病等)都與線粒體功能障礙或突變有關(guān)1-2. 在人類線粒體中約有1500個蛋白質(zhì)3，其中已經(jīng)有600多種蛋白質(zhì)被鑒定出來. 如果

4、能鑒定出大部分，甚至全部蛋白質(zhì)那將是非常寶貴的資源. 蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)為研究線粒體疾病和線粒體功能失調(diào)，為尋找疾病診斷的標(biāo)志物，探索藥物作用靶點提供了必不可少的手段. 成為臨床、基礎(chǔ)研究的熱點.1神經(jīng)系統(tǒng)疾病1.1神經(jīng)退行性疾病帕金森?。菏且环N中老年人常見的運動障礙疾病，以黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性缺失和路易小體形成為病理特征4. 目前，導(dǎo)致黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性缺失的確切發(fā)病機制尚不完全清楚，但是已經(jīng)知道線粒體功能障礙在其中起了重要作用. 采用定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)和同位素編碼標(biāo)記物方法，Jin等5對使用1甲基4苯基1,2,3,6四氫吡啶（MPTP）輔以二丙苯磺胺（probenecid）處理5 wk的

5、慢性帕金森病小鼠和對照小鼠，進行了二組間黑質(zhì)線粒體蛋白表達(dá)譜的差異表達(dá)比較. 辨別出超過300個蛋白點. 比較處理組和對照組中這些蛋白點，發(fā)現(xiàn)超過100個蛋白點在處理組中有量上的顯著變化，經(jīng)鑒定其中有一個蛋白質(zhì)為：DJ1，它的突變與家族性帕金森病有關(guān). 采用蛋白印記分析和免疫組化方法得出，其在黑質(zhì)的分布與鼠細(xì)胞內(nèi)包涵體形成有關(guān). 包涵體如同帕金森患者中的路易小體. 這一結(jié)果說明DJ1不僅與突觸核蛋白同時聚集在多巴胺能神經(jīng)元中，還存在于經(jīng)MPTP/prob處理的小鼠細(xì)胞包涵體內(nèi). 這一結(jié)果表明：在線粒體功能缺陷和帕金森病患者路易小體的形成中，DJ1可能起了重要作用.阿爾茨海默?。菏抢夏耆酥谐Ｒ姷?/p>

6、神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病. 日益增多的證據(jù)表明新陳代謝異常和氧化應(yīng)激所致線粒體功能缺陷與阿爾茨海默病相關(guān). David等6采用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對阿爾茨海默病的P301L Tau轉(zhuǎn)基因小鼠的蛋白質(zhì)表達(dá)譜進行分析發(fā)現(xiàn)，主要是與新陳代謝相關(guān)的蛋白：包括線粒體呼吸鏈復(fù)合物組成部分、抗氧化劑酶、突觸蛋白等都有改變. 隨后的功能分析提示，Tau蛋白和淀粉樣蛋白對線粒體損傷有協(xié)同作用.1.2家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥肌萎縮側(cè)索硬化癥是運動神經(jīng)元疾病最常見的類型，肌萎縮側(cè)索硬化癥是一種致命的神經(jīng)變性疾病，特征是運動神經(jīng)元的不斷死亡. 大約10%的肌萎縮側(cè)索硬化癥患者是家族遺傳病例. 肌萎縮側(cè)索硬癥已被公認(rèn)與銅/鋅超氧化物歧

7、化酶（Cu/Zn super oxide dismutase gene，SOD1）基因突變有關(guān)，其在家族性遺傳性病例中占20%. 至今已有超過90種基因突變類型被發(fā)現(xiàn). 不斷積累的研究證據(jù)表明，在家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥的病因?qū)W中線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡的激活起了重要作用. 但是很少知道哪個SOD1基因突變導(dǎo)致了線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡. 應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)方法，F(xiàn)ukada等7對NSC34細(xì)胞的G93ASOD1型所致的家族性肌萎縮側(cè)索硬化癥的線粒體蛋白質(zhì)改變進行了研究. 采用兩種獨立的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，在線粒體斷片中辨別出470個蛋白點，其中有75個是新發(fā)現(xiàn)的，這些蛋白以前只在cDNA水平報道過.

8、隨后，他們采用2DPAGE方法分析了NSC34細(xì)胞野生型和NSC34細(xì)胞的G93ASOD1型的線粒體蛋白質(zhì)組表達(dá)譜的區(qū)別. 在G93ASOD1型表達(dá)譜中，有9個點顯示高表達(dá)，36個點低表達(dá). 運用MS鑒定這45個點，這些蛋白點包含了有關(guān)線粒體膜轉(zhuǎn)運、凋亡、呼吸鏈和分子伴侶蛋白等. 特別是發(fā)現(xiàn)，翻譯后修飾的電壓依賴性陰離子通道2蛋白的改變，該蛋白與線粒體膜滲透性的調(diào)節(jié)和細(xì)胞凋亡激活之間的關(guān)聯(lián)正在激烈地討論之中. 該研究所發(fā)現(xiàn)的這些線粒體蛋白，很可能是揭開SOD1突變導(dǎo)致線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡的鑰匙.1.3癲癇癲癇是一組由不同病因引起，腦部神經(jīng)元高度同步化、且常具有自限性的異常放電所致疾病. 臨

9、床表現(xiàn)具有發(fā)作性、短暫性、重復(fù)性以及刻板性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失常為特征的綜合征. Kammer等8對點燃小鼠的腦組織采用2DE和質(zhì)譜分析技術(shù)鑒定出了一種變異的Rieske鐵硫蛋白（Rieske ironsulfur protein）. Rieske鐵硫蛋白是線粒體復(fù)合物的一部分. 研究顯示，在癲癇發(fā)作中Rieske蛋白可能對神經(jīng)元的反應(yīng)起一定作用，從而在癲癇的分子發(fā)病機制上提出了一種新見解.2心臟病擴張型心肌病是一種嚴(yán)重的可導(dǎo)致心衰的心臟病. Knecht等9采用雙向電泳（2DE，2D electrophoresis）取得了3300個心肌蛋白條帶. 通過氨基酸序列分析、Edman降解法及基質(zhì)輔

10、助的激光解吸離子化質(zhì)譜（matrixassisted laser desorption MALD mass spectrometry MS）等方法分析了其中150條帶. 經(jīng)活檢及術(shù)后病理證實，其中有12條為擴張性心肌病特有的蛋白質(zhì). Arnott等對新福林誘導(dǎo)的肥大心肌細(xì)胞進行線粒體蛋白質(zhì)組分析，與對照樣品相比較發(fā)現(xiàn)有8種蛋白質(zhì)的表達(dá)水平發(fā)生了不同程度的變化. 對存在缺血再灌注區(qū)、被預(yù)先處理的局部缺血兔心和正常兔心線粒體斷片，Kim等10應(yīng)用蛋白組學(xué)技術(shù)檢測其蛋白表達(dá)水平的差異. 采用2DE，辨別出25個線粒體蛋白，在缺血再灌注心肌中出現(xiàn)了不同程度的表達(dá). 鑒定出的大部分蛋白與線粒體呼吸鏈和能

11、量代謝有關(guān). 同時表明，要鑒定因缺血所致心肌損害的生物標(biāo)志物，蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)為其提供了一個適當(dāng)?shù)氖侄?3其他疾病3.1乙醇依賴性肝損傷對暴露于慢性乙醇的動物模型，Venkatraman等11運用蛋白質(zhì)組學(xué)方法進行了肝線粒體蛋白水平變化的分析，結(jié)果顯示43個點出現(xiàn)不同水平的改變. 其中13個點上調(diào)而另30個點下降. 在這些蛋白中，以前并不知道的25個蛋白發(fā)生了改變. 研究結(jié)果表明，長期飲酒導(dǎo)致的線粒體蛋白質(zhì)組的改變遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過了人們的預(yù)先估計. 在長期乙醇喂養(yǎng)的小鼠線粒體中所有核和線粒體編碼基因產(chǎn)物中的氧化磷酸化復(fù)合物均有下降，說明在整個代謝通路中存在合成障礙.3.2腫瘤隨著線粒體功能蛋白質(zhì)組學(xué)研

12、究的發(fā)展，已經(jīng)有可能鑒定出癌細(xì)胞中線粒體蛋白表達(dá)的異常，并有可能鑒定出新產(chǎn)生的生物標(biāo)記物，并以此來作為早期檢測和進行風(fēng)險評估的指標(biāo) McDonald TG, Van Eyk JE. Undercover in the lipid bilayer J. Basic Res Cardiol, 2003,98(4):219-227.2 Lopez MF, Melov S. Mitochondrial proteins and effect on functions J. Circ Res, 2002, 90(4):380-389.3 Taylor SW, Fahy E, Zhang B, et al

13、. Characterization of the human heart mitochondrial proteome J. Nat Biotechnol, 2003,21(3):281-286.4 Braak H, Del Tredici K, Rub U, et al. Staging of brain pathology related to sporadic Parkinsons disease J. Neurobiol Aging, 2003,24(2):197-211.5 Jin JH, Meredith, Gloria E, et al. Quantitative proteo

14、mic analysis of mitochondrial proteins: relevance to Lewy body formation and Parkinsons disease J. Brain Res Mol Brain Res, 2005,134(1): 119-138.6 David DC, Hauptmann S, Scherping I, et al. Proteomic and functional analyses reveal a mitochondrial dysfunction in P301L tau transgenic mice J. J Biol Ch

15、em, 2005,280(25): 23802-23814.7 Fukada K, Zhang FJ, Alexis Vien, et al. Mitochondrial proteomic analysis of a cell line model of familial amyotrophic lateral sclerosis J. Mol Cell Proteomics, 2004,3(12):1211-1223.8 Junker H, Spate K, Suofu Y, et al. Proteomic identification of the involvement of the

16、 mitochondrial rieske protein in epilepsy J. Epilepsia, 2005,46(3):339-343.9 Knecht H, Odermatt BF. Rearranged epsteinbarr virus genome in Hodgkins disease and angioimmunoblastic lymphadenopathy: Swiss results J. Am J Pathol, 2003, 163(1):369-370.10 Kim N, Lee Y, Kim H, et al. Potential biomarkers f

17、or ischemic heart damage identified in mitochondrial proteins by comparative proteomics J. Proteomics, 2006,6 (4):1237-1249.11 Venkatraman A, Landar A, Ashley J, et al. Modification of the mitochondrial proteome in response to the stress of ethanoldependent hepatotoxicity J. J Biol Chem, 2004,279(21

18、):22092-22101.12 Verma M, Kagan J, Sidransky D, et al. Proteomic analysis of cancercell mitochondria J. Nat Rev Cancer, 2003, 3(10): 789-795.13 Herrmann PC, Gillespie JW, Charboneau L, et al. Mitochondrial proteome: Altered cytochrome c oxidase subunit levels in prostate cancer J . Proteomics, 2003, 3(9):1801-1810.14 Miller I, Gemeiner M, Gesslbauer B, et al. Proteome analysis of rat liver mitochondria reveals a possible compensatory response to endotoxic shock J. FEBS Lett, 2006,580(5):1257-1262.15 Crouser ED, Julian MW, Huff JE, et al. A proteomi