线粒体是一种细胞器，以提供能量货币来促进细胞内的化学反应而闻名，但它们也参与对细胞健康至关重要的其他重要过程，包括对病毒等病原体的先天免疫反应、程序性细胞死亡以及与其他细胞的沟通细胞的所有过程都在健康和疾病中发挥作用。作为线粒体与细胞其他部分接口的信号蛋白是这些过程中的关键参与者。

线粒体的外表面，称为线粒体外膜(OMM)，是线粒体动力学和细胞健康的控制焦点，并且充满信号蛋白。细胞可以改变OMM的蛋白质组成来调整单个线粒体的功能，但病原体也可以操纵OMM景观以使其受益。此外，OMM蛋白质组成的不平衡与癌症和神经退行性疾病(包括帕金森病和阿尔茨海默病)等疾病有关。

研究人员对这些OMM蛋白的动态了解得越多，他们就越能深入了解它们在线粒体功能中所发挥的作用及其与健康和疾病的相关性。这就是为什么怀特海德研究所成员、麻省理工学院生物学教授、霍华德休斯医学研究所研究员乔纳森·韦斯曼(JonathanWeissman);AlinaGuna，Weissman实验室和加州理工学院助理教授RebeccaVoorhees实验室的联合博士后;Weissman实验室的研究生GayathriMuthukumar着手了解更多关于OMM蛋白的主要子集之一——α-螺旋蛋白——是如何产生和调节的。

研究人员关于管理这部分OMM蛋白质景观的不同途径和分子的详细模型于2月29日发表在《分子细胞》杂志上。

Muthukumar说：“OMMα螺旋蛋白是一个庞大且多样化的类别，这引发了我们的问题：细胞如何协调这些许多不同蛋白质的生物合成。”“现在我们对所涉及的特定分子参与者以及这些通路如何发挥作用有了更广泛、更全面的了解，这使我们能够更好地了解OMM作为信号平台，以及它在疾病条件下如何被操纵。”

一堆蛋白质很难就位

研究人员观察的蛋白质都是跨膜蛋白质，这意味着它们插入并穿过外膜。它们也是α螺旋，这意味着它们的跨膜结构域(蛋白质穿过膜的部分)具有卷曲或螺旋形状。有些蛋白质只穿过膜一次，一端在线粒体外，一端在线粒体内。其他的则被折叠，以便它们多次穿入和穿出膜。

跨膜蛋白对于细胞的正确组装具有挑战性。蛋白质的基本部分是由细胞主要区域的机器形成的，然后它们必须被输送到OMM。蛋白质的跨膜结构域一旦插入就稳定，但是当新生蛋白质位于细胞主体中时，这些结构域不稳定并且容易聚集在一起。

通常，这些蛋白质需要所谓的伴侣，在通往OMM的过程中与它们配对并保护它们，否则它们将被降解或聚集在一起。结块不仅会阻止蛋白质到达OMM并在那里发挥作用，而且错误的团块本身也会给细胞带来问题。另一个挑战是跨膜蛋白容易出现折叠错误，从而破坏其功能并导致疾病。

因此，Weissman及其同事希望了解细胞使用什么机制来确保这些蛋白质被安全地递送并插入到OMM中，或者如果蛋白质的合成出现错误，这些蛋白质就会被破坏。研究人员使用Weissman及其合作者开发的CRISPR干扰(CRISPRi)筛选方法进行了大规模、系统的遗传筛选，以寻找使各种OMM蛋白就位所需的分子。

广泛撒网揭示了各种分子参与者

由该研究的第一作者Muthukumar领导的研究人员发现，这些蛋白质沿着不同的途径到达OMM，很大程度上取决于两个因素：它们是穿过膜一次还是多次，以及蛋白质的哪一端面向外部还是面向内部线粒体的。

研究人员最终发现了三类蛋白质的不同途径：信号锚定蛋白，它穿过膜一次，并且蛋白质的起点面向内部;尾部锚定蛋白，穿过膜一次并开始面向外部;和多位蛋白，它们多次穿过膜(并且无论信号和尾部方向如何，似乎都依赖于相同的途径)。

研究人员使用他们的筛选方法来测试哪些分子对于每类OMM蛋白的正确递送、插入以及质量控制或降解至关重要。他们发现，据他们所知，尾部锚定蛋白不需要任何形式的伴侣来到达OMM。信号锚定蛋白确实需要一种名为TTC1的新型伴侣，其在细胞中的作用以前未知。

研究人员进行了进一步的实验来表征TTC1并深入了解它如何与OMM蛋白相互作用。他们使用名为AlphaFold的AI系统生成TTC1的AI衍生模型，并通过这些模型确定了一个新的界面，TTC1通过该界面保持跨膜域在细胞主体中的稳定。最后，研究人员发现多位蛋白由NAC复合物陪伴，这种蛋白复合物曾被称为伴侣，但仅针对特定类别的蛋白质;这一发现扩大了它的作用。

然后，大多数蛋白质的路径会聚在一条路径上，以插入OMM。它们主要由插入酶(插入促进分子)MTCH2引导，该酶最近由Weissman和Voorhes实验室发现。

此外，研究人员对OMM蛋白进行质量控制的分子有了一些了解，并在出现问题时降解它们：他们发现一些尾锚蛋白可以在细胞主体中被分子UBQLN1降解，并且所有三种类型都可以在OMM中被MARCHF5分子降解。研究人员指出，质量控制不是他们研究的重点，需要后续研究来了解更多有关质量控制机制的信息。

总而言之，这些发现使研究人员能够绘制α螺旋蛋白被递送和插入OMM的途径的详细图谱，并了解它们在质量控制中的一些调节方式。得益于韦斯曼和其他人近年来开发的大规模基因筛查方法，这些发现的范围才有可能。

“通过研究多种不同类型的蛋白质以及每种类型的多种蛋白质，并为它们的合成建立一个全面的零件清单，我们能够得出蛋白质类型的一般原则以及其中每种特定蛋白质的特性。那，”韦斯曼说。“我认为这个项目展示了如何使用系统方法和经典细胞生物学在一篇论文中以主要方式解决一个问题。”

这些方法使研究人员能够收集大量数据，他们打算继续分析这些数据，以对OMM蛋白以及与其相互作用的分子有更多发现。此外，研究人员希望他们目前的发现能够为OMM作为细胞信号传导平台的动态提供新的见解，细胞是参与健康和疾病许多关键过程的枢纽。

了解控制OMM蛋白质组成的途径可能有助于研究人员发现这种组成的变化如何影响线粒体功能和功能障碍。这些发现甚至可能最终使研究人员能够改变OMM蛋白格局，从而为OMM相关疾病(从癌症到神经退行性疾病到病毒感染)提供治疗方法。

“由于OMM蛋白的重要性，它们的失衡与多种疾病有关，”Guna说。“因此，这些蛋白质是如何产生的，不仅是细胞生物学的一个基本问题，而且具有广泛的影响。如果我们能够了解这些蛋白质是如何产生的，它使我们能够干预健康或疾病状态，以改变OMM蛋白质组的组成并有可能引导细胞走向或远离特定的命运。”