Nature重磅！深度功能多组学鉴定三种线粒体疾病的遗传病因

精准医学与蛋白组学

2022.6.01

杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

线粒体是真核生物细胞代谢和产能的中心。目前报道有超过150种疾病与线粒体异常相关，但是其中超过40%不知其致病“元凶”，严重阻碍了对这些疾病的诊断和药物开发。近几十年来的研究帮助发现了线粒体核心蛋白质的组成成分，但对其功能和调控机制知之甚少。

2022年5月25日，华盛顿大学圣路易斯医学院和威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员合作在Nature上发表了题为Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling 的研究文章。运用基于质谱的功能多组学策略，分析了超过200株经CRISPR敲除的单倍体HAP1细胞系。首次建立一个完整的人源线粒体功能谱。研究进一步系统分析了线粒体蛋白的潜在功能，并发现一系列与疾病关联的关键线粒体蛋白，提供了对线粒体扰动和特异性蛋白功能的深度分析。

研究方法

研究流程：

1）采用人源HAP1细胞系，使用CRISPR技术系统敲除，构建了200多个单个线粒体蛋白缺失的人源HAP1细胞系；

2）采用基于质谱的功能多组学策略 (蛋白质组、代谢组、脂质组) 对敲除后的每一个细胞系进行分析；

3）进一步通过生化及遗传学验证蛋白功能。

图1 多组学分析定义线粒体蛋白功能流程图解

研究总计进行了约3200次GC-MS与LC-MS/MS分析，鉴定到总共8433种蛋白、3563种脂质和218种代谢物。利用这些数据建立了MITOMICS (mitochondrial orphan protein multi-omics CRISPR screen, 线粒体孤儿蛋白多组学CRISPR筛查，线粒体孤儿蛋白通常被认为是在线粒体中特有的蛋白) 应用程序，通过对多组学数据进行分析验证出了蛋白已知的生物学功能及潜在的新功能。上述数据现在可在线访问 (资源网址 https://www.mitomics.app)。
研究亮点

蛋白质的生物学机制分析

功能多组学的研究策略可用于发现新生物学机制。以推测的锌离子转运蛋白SLC30A9为例，研究通过蛋白质组数据分析发现在SLC30A9敲除细胞株中，线粒体中核糖体和氧化磷酸化蛋白大量丢失，其作用等效于线粒体核糖体哨兵蛋白MRPS22敲除。由此证明SLC30A9作为锌相关转运蛋白，在线粒体核心过程中起着至关重要的作用。

图2 SLC30A9线粒体核心生理过程中发挥关键作用

PYURF调节CoQ和CI生物学

辅酶Q或线粒体复合物I (CI) 缺失是许多线粒体功能紊乱病人的共有特征，研究重点关注了与两者相关的关键蛋白。以辅酶Q缺失为例，研究者首先锁定了PIGY上游开放阅读框 (PYURE)。结果表明PYURE敲除株中的二氢乳清酸水平提高，消耗辅酶Q将其转化为乳清酸。结合遗传学验证，最终证实PYURF是一个S-腺苷甲硫氨酸依赖的甲基转移酶伴侣，可同时支持呼吸链复合物I组装和辅酶Q合成，其突变将导致一种全新的多系统线粒体障碍。这些数据也表明，MITOMICS数据可以为线粒体中孤儿蛋白的功能解析和寻找某些罕见病病因提供助力。

图3 PYURF 是一种在人类疾病中被破坏的CoQ和CI相关的伴侣

RAB5IF变异导致脑面胸发育异常

蛋白质组数据显示了RAB5IF基因与TMC01的密切关联，两个基因在彼此的敲除株中都显著降低，但其确切功能仍不清晰，比较公认的是TMC01的突变会导致脑面胸发育异常 (cerebrofaciothoracic dysplasia，又称颅面畸形、骨骼异常和智力低下综合征 (CFSMR))。通过遗传学及生化分析显示RAB5IF第一个外显子存在一个纯合的无意突变c.75G＞A (p.Trp25*)，该突变可能会导致蛋白过早被截断；而患者家中其他5位无症状的成员则不带有该纯合突变，但有两位唇/腭裂的家庭成员在该位点存在杂合突变。为进一步分析该突变的疾病发生，研究者使用患者样品建立起成纤维细胞培养物，确认细胞中RAB5IF和TMC01缺失。向上述细胞中转入野生型RAB5IF-GTP明显恢复TMC01的表达水平。由此确证，RAB5IF的缺陷是导致该类病人临床病症的病因。

图4 RAB5IF致病变异导致CFSMR
综上所述，研究者利用功能多组学分析深入探究了线粒体相关蛋白的新功能，获得的数据可为多种线粒体孤儿蛋白提供可能的生物学功能提示。同时该研究以三种线粒体疾病的遗传病因为例，定义了丰富的线粒体功能障碍的细胞特征，可以支持线粒体疾病的遗传诊断。
作者访谈
本文的通讯作者，美国威斯康星州麦迪逊市莫格里奇研究所的Joshua J. Coon和华盛顿大学医学院细胞生物学和生理学系David J. Pagliarini表示，“很高兴运用质谱技术平台生成如此大规模的数据，但更重要的是，这些数据可以直接帮助我们了解人类疾病。”
“在这篇文章中，我们主要关注这三种情况。除此之外，我们还发现了大约 20 种其他蛋白质与生物途径或过程联系起来的故事。很遗憾因为篇幅的限制，这20 个故事未能同样深入解析，期待未来被我们或其他人测试这些假设。”
“这个大型数据集将帮助我们为线粒体疾病，设计更好的生物标志物和诊断方法。每次我们发现一种新的蛋白质功能时，它将为我们提供一个新的机会来靶向治疗途径。我们的长期目标是深入了解线粒体，以便能够进行治疗干预，实现我们目前无法做到的目标。”