PNAS：为什么线粒体保留自身基因组？

几千年来，线粒体的基因组是在最小基因含量的选择下进化的，但是研究者们一直无法确定“为什么有些线粒体基因（而不是所有的线粒体基因）被转移到细胞核基因组中”。最近有研究人员对这个问题进行了探索，相关研究结果发表在七月二十日的《PNAS》。

　　

生物通报道：这听起来像科幻小说，认为人体内的每一个细胞都是由一个具有基因组的微小细胞器所占据，我们与其存在共生关系。但是在现实中，真核生物的生命依赖于线粒体，它以三磷酸腺苷的形式给细胞提供能量（ATP）。几千年来，线粒体的基因组是在最小基因含量的选择下进化的，但是研究者们一直无法确定“为什么有些线粒体基因（而不是所有的线粒体基因）被转移到细胞核基因组中”。

对于这一现象，一项国际合作研究产生了一个有趣的假说：线粒体基因组编码疏水膜蛋白，如果它是在细胞核中编码，就会被信号识别颗粒（SRP）过滤，并被错误地引入内质网中。研究人员进行了一项研究，来探索他们的假设，并将其研究结果发表在七月二十日的《PNAS》。延伸阅读：PNAS阐述线粒体疾病新理论。

为了预测一个蛋白是否将被SRP靶定，研究人员计算了跨膜蛋白的自由插入能量，如果得分为零或更少，则被认为是疏水性。较高的分数被认为是轻微的疏水性。如果一个跨膜蛋白结构域（TMD）得分是疏水性，并且长度大于120个氨基酸，研究人员就预测它会被SRP捕获并被引导到内质网中。

研究人员在细胞质中表达了这些蛋白，并确定它们是被SRP捕获并被引导入内质网中。此外，研究人员发现，这些疏水性蛋白质被错误地引向内质网的可溶性介质中，可导致形成异常的蜂窝结构，类似于病毒感染过程中观察到的结构。作者写道：“我们推断，超过120个氨基酸的疏水性膜蛋白的编码基因，可能保留在不同的细胞器基因组中，以确保这些蛋白质的正确定位，并避免被运输到内质网中。”

联川生物为研究人员提供一站式蛋白质组定量分析方案

因此，研究人员得出结论，选择防止疏水性蛋白质错误引入内质网，至少对线粒体基因组的保留，构成了一个主要的选择性约束。他们通过将其与植物叶绿体中的类似膜动力学进行比较，支持这一研究结果。

先前的研究已经表明，三分之一的线粒体蛋白，已经发生了进化，以响应不同物种的特定环境约束。这些蛋白质中的大部分与运输、调控和膜功能有关。目前的研究结果与这些研究结果是一致的。

在罕见的情况下，普通的线粒体基因已经转移到核基因组中，其证据一直都是一个谜。目前的研究结果提出了一种解释：在转移发生的这些物种中，这些特定的蛋白质表现出疏水性减少。

临床应用包括，开发某种方法来治疗人类的线粒体遗传疾病，如Leber遗传性视神经病变。作者写道：“总的来说，虽然可能还涉及其他因素，但这些结果解决了长期存在的关于‘有氧线粒体和光合叶绿体为什么需要不同区划的基因组？’的问题。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Mitochondrial genomes are retained by selective constraints on protein targeting
Abstract: Mitochondria are energy-producing organelles in eukaryotic cells considered to be of bacterial origin. The mitochondrial genome has evolved under selection for minimization of gene content, yet it is not known why not all mitochondrial genes have been transferred to the nuclear genome. Here, we predict that hydrophobic membrane proteins encoded by the mitochondrial genomes would be recognized by the signal recognition particle and targeted to the endoplasmic reticulum if they were nuclear-encoded and translated in the cytoplasm. Expression of the mitochondrially encoded proteins Cytochrome oxidase subunit 1, Apocytochrome b, and ATP synthase subunit 6 in the cytoplasm of HeLa cells confirms export to the endoplasmic reticulum. To examine the extent to which the mitochondrial proteome is driven by selective constraints within the eukaryotic cell, we investigated the occurrence of mitochondrial protein domains in bacteria and eukaryotes. The accessory protein domains of the oxidative phosphorylation system are unique to mitochondria, indicating the evolution of new protein folds. Most of the identified domains in the accessory proteins of the ribosome are also found in eukaryotic proteins of other functions and locations. Overall, one-third of the protein domains identified in mitochondrial proteins are only rarely found in bacteria. We conclude that the mitochondrial genome has been maintained to ensure the correct localization of highly hydrophobic membrane proteins. Taken together, the results suggest that selective constraints on the eukaryotic cell have played a major role in modulating the evolution of the mitochondrial genome and proteome.