Nature：利用新方法鉴定出三种线粒体疾病的遗传原因

线粒体是为细胞提供能量的微小细胞器。当线粒体出现问题时，这可能会导致多种令人困惑的症状，如生长不良、疲劳和虚弱、癫痫发作、发育和认知障碍以及视觉问题。罪魁祸首可能是构成线粒体的1300种左右蛋白中的任何一种存在缺陷，但是科学家们对其中许多蛋白发挥的作用知之甚少，这使得识别有问题的蛋白和治疗这类疾病变得困难。

在一项新的研究中，来自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系统地分析了数十种功能不明的线粒体蛋白，并为其中许多蛋白的功能提出了建议。以这些数据为起点，他们确定了三种线粒体疾病的遗传原因。这些发现表明了解线粒体的数百种蛋白如何共同发挥作用以产生能量并执行这种细胞器的其他功能，可能为找到诊断和治疗这类疾病的更好方法提供一条有希望的道路。相关研究结果于2022年5月25日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling”。

论文共同通讯作者、华盛顿大学圣路易斯医学院教授David J. Pagliarini博士说，“我们有一份线粒体的组成部分列表，但我们不知道很多组成部分是做什么的。这类似于如果你的车有问题，你把它带到机械师那里，打开引擎盖后，他们说，‘我们以前从未见过这些组成部分的一半’。他们就不知道怎么修了。这项新的研究是为了尽可能多地确定这些线粒体组成部分的功能，以便我们更好地了解当它们不发挥功能时发生了什么，并最终有更好的机会设计治疗方法来校正这些问题。”

线粒体疾病是一组罕见的遗传病，每4300人中就有一人受到影响。由于线粒体为几乎所有的细胞提供能量，线粒体有缺陷的人可以在身体的任何部位出现症状，而且这些症状往往在需要最多能量的组织中最为明显，比如心脏、大脑和肌肉。

为了更好地了解线粒体的工作机理，Pagliarini、威斯康星大学麦迪逊分校生物分子化学教授Joshua J. Coon博士（另一名论文共同通讯作者）、Pagliarini实验室前研究员Jarred W. Rensvold博士、Coon实验室研究员Evgenia Shishkova博士及其团队鉴定出尽可能多的线粒体蛋白的功能。

这些作者使用CRISPR-Cas9技术从人细胞系中移除个别基因。基于此，他们构建出一组相关的细胞系，每种细胞系都来自同一个原始细胞系，但都被剔除了一个基因。这些被剔除的基因编码了50种功能未知的线粒体蛋白和66种功能已知的线粒体蛋白。

这些作者随后研究了每种细胞系，以寻找每个缺失的基因在保持线粒体正常运行方面所起作用的线索。他们监测了这些细胞系的生长速度，并定量确定了每种细胞系的8433种蛋白、3563种脂质和218种代谢物的水平。他们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）应用程序，为它配备了分析和识别当特定蛋白缺失时生物过程出现差错的工具。

在用已知功能的线粒体蛋白验证这种方法后，这些作者提出了许多功能未知线粒体蛋白的潜在生物学作用。通过开展进一步研究，他们能够将三种蛋白与三种独立的线粒体疾病联系起来。

Coon说，“看到我们的质谱技术平台能够产生如此规模的数据，而且更重要的是能够直接帮助我们了解人类疾病的数据，这是非常令人兴奋的。”

一种线粒体疾病是一种以前未知的由线粒体缺陷引起的多系统疾病。论文共同作者、英国纽卡斯尔大学线粒体病理学教授Robert Taylor博士发现一名患者有明显的这种疾病的迹象，但在通常的可疑基因中没有突变。这些作者确定了线粒体中的一个新基因，并发现该患者携带了这个基因中的突变。

另外，Pagliarini及其同事们注意到，破坏一个称为RAB5IF的基因可以消除一个不同的基因---TMCO1---所编码的蛋白，TMCO1基因与脑面胸发育不良（cerebrofaciothoracic dysplasia）有关。这种疾病的特点是独特的面部特征和严重的智力障碍。在与论文共同作者、土耳其安卡拉哈塞特佩大学人类遗传学教授Nurten Akarsu博士的合作下，这些作者发现RAB5IF的一个突变是一个土耳其家庭中一例脑面胸发育不良和两例唇裂的原因。

图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04765-3。

第三个基因一旦被破坏，就会导致糖储存出现问题，从而导致一种致命性的自体炎症综合征。有关这种综合征的数据出现由新加坡科技研究局Bruno Reversade博士及其团队于去年发表的在一篇论文中。

Pagliarini说，“我们主要关注这三种线粒体疾病，但是我们发现有大约20种其他蛋白与生物途径或过程相关联。我们不能在一篇论文中全部追问，但是我们提出了假设，并把这些假设放在那里供我们和其他人测试。”

为了帮助科学发现，Pagliarini、Coon及其同事们将MITOMICS应用程序提供给公众。他们建立了几种用户友好的分析工具，因此任何人都可以通过点击来寻找模式和构建图表。所有的数据都可以下载以进行更高级的分析。

Pagliarini说，“我们希望这个庞大的数据集成为该领域众多数据集之一，这些数据集共同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。每当我们发现一种新蛋白的功能，它就给了我们一个新的机会来靶向一种途径进行治疗。我们的长期目标是足够深入地了解线粒体，以便能够进行治疗性干预，不过目前我们仍然不能做到这一点。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Jarred W. Rensvold et al. Defining mitochondrial protein functions through deep multiomic profiling. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04765-3.

2. Genetic roots of 3 mitochondrial diseases ID’d via new approach
https://medicine.wustl.edu/news/genetic-roots-of-3-mitochondrial-diseases-idd-via-new-approach/