背景：
线粒体在细胞代谢、蛋白质和脂质生物合成、质量控制和信号转导中发挥重要作用。蛋白质复合物和相互作用网络的系统分析为线粒体的结构和功能组织提供了令人兴奋的见解。大多数线粒体蛋白并不作为独立的单位发挥作用，而是通过稳定或动态的蛋白-蛋白相互作用相互连接。蛋白质转位酶负责将前体蛋白导入线粒体并形成若干蛋白质相互作用网络的中心元件。这些网络包括分子伴侣和质量控制因子、代谢物通道和呼吸链复合物以及膜和细胞器接触位点。蛋白质转位酶将不同的网络连接成一个整体网络，即线粒体输入网络(mitomnet)，以协调线粒体的生物发生，膜组织和功能。
简介：
2023年10月30日，来自波恩大学医学院生物化学与分子生物学研究所的Thomas Becker教授课题组在Trends in Cell Biology（IF: 19.0）杂志上发表题为“Mitochondrial complexome and import network”的文章[1]。
主要结果：
线粒体复合体。
线粒体是重要的细胞细胞器，在能量转换、代谢、辅因子生物合成、细胞免疫和应激信号传导等方面发挥多种功能。线粒体功能和生物发生的缺陷与各种疾病相关，尤其是高能量需求的神经系统、心脏和肌肉疾病。这些细胞器配备有大量不同的蛋白质，在人类细胞中包含约1300种蛋白质，在面包酵母中包含约1000种蛋白质。大多数蛋白质并非单独发挥作用，而是与蛋白质复合物或动态组装网络中的伴侣蛋白质协同发挥作用。几种不同的生化方法促进了线粒体蛋白复合物和组装体的鉴定。天然蛋白复合物的亲和纯化结合质谱分析、细胞器交联、冷冻电子显微镜(cryoEM)结构分析和天然电泳等技术，已成为确定和表征线粒体蛋白组装物组成的有价值的工具。
线粒体蛋白组织的另一层次复杂性是超复合体的形成，这已在呼吸链复合体和蛋白易位酶中观察到。蛋白质复合体和超复合体在功能蛋白质网络中可以相互协作。然而，由于线粒体的动态行为和大量可能的成分，线粒体的蛋白质网络仅被部分描述。结合温和溶解和分离方法，如蓝色电泳和梯度离心法与质谱，称为“复杂组图谱”，已成为深入了解线粒体蛋白质分子结构的有力工具。最近，一种名为“MitCOM”的高分辨率线粒体复杂组分析方法证实了酵母线粒体中存在超过5200个蛋白峰。MitCOM揭示了蛋白质组织出乎意料的高度复杂性;平均每个线粒体蛋白有6个不同的峰。
线粒体蛋白稳态输入网络。
分子伴侣与TOM受体在蛋白质靶向方面进行合作。
已有关于线粒体前体蛋白输入的共输入和翻译后输入机制的报道(图2)。大多数线粒体前体蛋白是通过翻译后方式输入。在核糖体上合成后，分子伴侣，如70-kDa和90-kDa的细胞内热休克蛋白(分别为Hsp70和Hsp90)，及其辅助伴侣使蛋白质保持在一个松散折叠的重要状态，并减少前体蛋白的毒性聚集。分子伴侣将前体蛋白导向TOM受体Tom20和Tom70。Tom70暴露了一个钳型四肽重复(TPR)结构域，该结构域与Hsp70和Hsp90伴侣蛋白的C端结合，从而支持易于聚集的前体蛋白的生物发生。线粒体膜栓系tpr结构域的表达足以补偿酵母中Tom70的缺失，强调了Tom70作为分子伴侣对接位点的关键功能。丰富的Hsp70和Hsp90伴侣蛋白发挥多种细胞功能。
蛋白质进入的质量控制。
TOM孔转运未折叠或部分折叠的前体蛋白。因此，结构域的过早折叠导致前体蛋白易位受阻和TOM易位子堵塞。同样，线粒体膜电位的破坏或转位酶亚单位的突变会损害线粒体对蛋白质的摄取。输入失败导致线粒体前体蛋白在不同的细胞区室中积累并形成聚集体。大量非输入前体蛋白的存在诱导了巨大的应激反应，最终可导致细胞死亡。因此，非输入前体蛋白必须迅速去除，以防止蛋白毒性应激。前体蛋白在不同细胞器表面的瞬时分布可以减轻蛋白毒性，从而用前体蛋白缓冲细胞质室的超负荷。
能量代谢:蛋白质输入合作。
线粒体通过氧化磷酸化(OXPHOS)产生大量的细胞ATP。与发酵条件相比，酵母细胞在呼吸条件下生长时，参与线粒体能量代谢的蛋白质丰度增加3 ~ 4倍。蛋白质输入是控制线粒体蛋白质结构变化的中心靶点。胞质激酶磷酸化TOM亚基来调节TOM复合体的蛋白质输入或组装，以响应代谢信号和细胞周期。蛋白质转运酶与参与线粒体能量代谢的组分的分子偶联可以使蛋白质的输入效率适应线粒体和细胞的需要。孔蛋白(Porin)或电压依赖性阴离子通道(VDAC)是人体代谢产物和离子跨膜交换的主要通道。在酵母中存在两个孔蛋白亚型，而在人类线粒体中存在三个VDAC同源体。酵母中的主要孔蛋白，Por1，与TOM和TIM22复合物相互作用，以空间协调载体前体(如ADP/ATP载体)输入的内外膜转运步骤。
膜接触位点的连接和蛋白质转运。
线粒体蛋白转运与维持膜结构和细胞器接触位点的因素密切相关，称为“内质网-线粒体组织网络”(ERMIONE)。与ER和酵母空泡膜的接触位点对脂质交换和Ca2+稳态很重要。线粒体合成心磷脂并参与磷脂酰乙醇胺的生物合成，而其他磷脂则从内质网输入。在酵母中，脂质可以通过空泡和线粒体补片(vacuole and mitochondria patch, vCLAMP)或内质网线粒体相遇结构(ER mitochondria encounter structure, ERMES)转运。外膜蛋白易位有助于细胞器接触位点(图4)。首先，通道蛋白Tom40作为Vps39的对接位点，Vps39与Rab gtp酶Ypt7一起形成vCLAMP接触位点。其次，有研究报道Tom5与内质网膜蛋白复合物(EMC)结合，后者参与蛋白质插入到内质网。这种相互作用的功能相关性仍有待确定。第三，受体Tom70与er常驻蛋白Lam6/Ltc1相互作用，后者控制细胞器接触位点的形成。第四，Tom70还与核膜的接触核线粒体蛋白Cnm1相互作用，以磷脂代谢调节的方式连接两种细胞器。第五，β-barrel蛋白Mdm10具有双重定位。它与SAM复合物结合，通过β-barrel替代机制促进Tom40前体的释放，并介导Tom22的输入。Mdm10还形成ERMES的线粒体锚定，从而实现脂质转运。
线粒体接触位点和嵴组织系统(mitochondrial contact site and cristae-organizing system, MICOS)对维持典型的内膜结构至关重要，包括毗邻外膜的内界膜和折叠的嵴膜。MICOS在嵴连接处(连接内界膜和嵴膜)富集，并与TOM和SAM复合物结合，构成两种线粒体膜之间的接触位点(图4)。通过与蛋白转位酶偶联，MICOS支持蛋白质转运到线粒体。中央亚基Mic60的丧失影响β-barrel蛋白的输入。MICOS还支持Mia40靠近TOM复合体的定位，以促进MIA底物进入膜间隙。MICOS亚基Mic10与F1Fo-ATP合酶的二聚体结合以促进其寡聚化。反过来，ATP合酶的寡聚化会影响嵴的形成。此外，抑制素形成大的环状结构或支架，对膜组织很重要，并与m-AAA蛋白酶相互作用。
结论和展望：
线粒体的生物发生和功能依赖于许多过程，包括蛋白质输入和分选、氧化磷酸化、代谢物转运和许多代谢步骤、膜的构建和动力学、通过细胞器接触位点的脂质转运以及与细胞稳态系统的合作。这些过程涉及许多需要协调的因素和分子途径。最近对线粒体复合体组织的研究表明，蛋白质网络将线粒体蛋白输入与细胞的蛋白稳态、线粒体代谢、脂质生物发生和膜组织联系起来。这些网络不是相互独立地发挥作用，而是作为中心要素共享蛋白质易位酶的整合。线粒体蛋白转位酶对线粒体和细胞活力是必需的。
MitimNet将蛋白质的输入与蛋白质稳态、细胞器接触位点和代谢联系起来。它是一个高度动态的网络，确保线粒体生物发生的可塑性，以响应细胞应激和代谢信号。相反，蛋白质输入缺陷可诱导转录改变以应对线粒体功能障碍。MitimNet对于减轻这种应激情况和确保细胞在生理和病理生理条件下的活力是重要的。输入网络及其对线粒体和细胞需求的适应可能在疾病情况中发挥重要作用。
通过将蛋白质网络整合成一个复杂的、总体的网络，我们才刚刚开始了解线粒体功能的更高层次的组织。我们希望MitimNet的许多组件、链接和功能还有待发现。阐明MitimNet对细胞信号传导、适应和生长条件的调节是线粒体研究的主要挑战，并可能作为表征细胞器总体相互作用网络的范式。
原文链接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0962-8924(23)00208-8
参考文献：
[1] den Brave F, Schulte U, Fakler B, Pfanner N, Becker T. Mitochondrial complexome and import network. Trends Cell Biol. 2023 Oct 30:S0962-8924(23)00208-8. doi: 10.1016/j.tcb.2023.10.004. Epub ahead of print. PMID: 37914576.
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