本文作者为Thomas D. Fox，来自Cornell University（康奈尔大学）分子生物学与遗传学系，文章发表于2012年12月的《Genetics》期刊，属于酵母手册（YeastBook）系列综述。本文系统回顾了酿酒酵母线粒体蛋白质的合成、导入与组装机制。
线粒体是酿酒酵母细胞质中最为复杂的细胞器，对细胞活力及呼吸生长至关重要。其最内层水相区室为线粒体基质（matrix），由高度结构化的线粒体内膜（inner membrane）包围，内、外膜之间为膜间隙（intermembrane space）。酵母线粒体约含1000种蛋白质，其中仅8种主要成分由线粒体基因组编码并在基质内合成；其余约99%的线粒体蛋白质由核基因编码，在细胞质核糖体上合成后导入线粒体。值得注意的是，线粒体本身并非可有可无——即使呼吸功能缺失的突变体仍可存活，但任何阻止线粒体生物发生的突变都是致死的，例如阻断蛋白质从细胞质导入的突变。
本文按照从细胞质到线粒体内部的顺序，依次综述了线粒体蛋白质生物发生的各个环节。
细胞质中线粒体蛋白质的合成
核编码线粒体蛋白质的合成可在结合于线粒体的多聚核糖体上进行，也可在游离多聚核糖体上进行。大约半数编码线粒体蛋白质的mRNA选择性定位于线粒体外膜表面翻译，另一半则在游离核糖体上翻译或无偏向性分布。这种定位翻译的生物学意义在于促进蛋白质的高效导入与组装。
mRNA定位机制涉及mRNA 3′非翻译区（3′-UTR）中的核苷酸信号。以ATP2 mRNA为例，用ADH1的3′-UTR替换ATP2的3′-UTR后，虽然mRNA总水平不变，但结合线粒体的比例大幅下降，导致前体蛋白Atp2大量以未加工的前体形式积累于线粒体外表面，无法有效导入。这表明mRNA定位信号促进合成“导入感受态”的多肽。
RNA结合蛋白Puf3在多个线粒体蛋白质mRNA的定位中发挥作用。Puf3属于Pumilio同源结构域家族，定位于线粒体外表面，其结合位点存在于约半数选择性定位于线粒体的mRNA的3′-UTR中。但Puf3同时也促进部分mRNA的去腺苷酸化与降解，因此其定位功能与降解功能之间的相互作用仍有待阐明。atm1和atp2等mRNA缺乏Puf3结合位点，提示存在其他尚待鉴定的识别机制。此外，新生多肽链也可将活跃翻译的mRNA锚定于线粒体，这一机制与Tom复合体的受体蛋白Tom70、Tom20有关：tom20Δ与puf3Δ双突变体表现出很强的呼吸缺陷，说明mRNA定位和蛋白质导入机器之间存在协同作用。
细胞质合成线粒体蛋白质的转运与膜插入
几乎所有进入线粒体的蛋白质首先通过外膜上的TOM复合体（translocase of the outer membrane）。TOM复合体包含面向细胞质的受体蛋白（Tom20、Tom22、Tom70）及由Tom40形成的跨膜孔道。依据靶向信号的不同，蛋白质进入外膜后分别被导向外膜、膜间隙、内膜上的TIM复合体或基质。
外膜蛋白质的插入分为两类。β-桶状蛋白（如Por1和Tom40）先经TOM复合体孔道进入膜间隙，由Tim9-Tim10或Tim8-Tim13六聚体分子伴侣结合，再被运送至外膜内侧的SAM复合体（sorting and assembly machinery），侧向插入外膜脂双层。SAM50是SAM复合体的核心β-桶状蛋白，与细菌外膜蛋白Omp85同源。其他含跨膜螺旋的外膜整合蛋白则通过Mim1-Mim2复合体从外侧插入膜脂，不依赖Tom40孔道。尾锚定蛋白Fis1的插入则不依赖任何已知的TOM和SAM组分。
膜间隙蛋白质的导入至少有三种机制。细胞色素c通过TOM复合体进入膜间隙的机制独特，不完全依赖Tom40孔道，进入后由细胞色素c血红素裂合酶（Cyc3）共价连接血红素而被不可逆地捕获。含有成对半胱氨酸残基（Cx3C或Cx9C基序）的蛋白质（如Tim9、Tim10等）在还原态通过TOM孔道进入膜间隙后，由Mia40-Erv1二硫键传递系统氧化形成分子内二硫键，折叠后被捕获于膜间隙。
内膜蛋白质的插入涉及两种主要的TIM复合体。多次跨膜的代谢物载体蛋白（如ATP/ADP载体）在细胞质中与Hsp70结合，经Tom70识别后以环状构象通过TOM孔道，在膜间隙与Tim9-Tim10分子伴侣结合，被运送至内膜上的TIM22插入酶复合体，依赖内膜电位（Δψ）完成膜插入。含可剪切前导序列（presequence）的内膜蛋白则通过TIM23复合体导入。前导序列为带正电荷的双亲性α-螺旋，被Tom20和Tom22识别后进入Tom40孔道。在膜间隙侧，Tim50识别前导序列并引导其进入Tim23孔道。前导序列的转运由内膜电位驱动。若前导序列下游紧跟疏水分选信号，则以“停止转移”机制侧向插入内膜；若分选信号较远，则需PAM复合体（presequence translocase-associated motor）利用ATP水解释放的能量将多肽拉入基质，直至分选信号进入Tim23通道后侧向释放。部分蛋白（如细胞色素b2和c1）的内膜锚定段随后被内膜蛋白酶IMP切割，释放至膜间隙。
基质蛋白质的导入
不含停止转移信号的含前导序列蛋白质在Δψ驱动前导序列进入后，由PAM复合体依赖ATP将整条多肽拉入基质。PAM的核心是线粒体Hsp70（Ssc1），其通过Tim44锚定于TIM23复合体基质侧，在核苷酸交换因子Mge1和J结构域共分子伴侣Pam18的协助下进行多次ATP水解循环，拉动多肽链。基质内前导序列由线粒体加工肽酶MPP切除，部分蛋白再由Icp55或Oct1进一步修剪N端以提高稳定性。输入后的折叠由Hsp60-Hsp10伴侣蛋白系统及Hsp78、Pim1等协助完成。
导入复合体的空间分布与调控
TIM23复合体几乎全部位于内膜边界域，与约25%的TOM复合体形成转运接触位点。TIM23复合体与呼吸链超复合体（bc1复合体和细胞色素c氧化酶）存在相互作用，由Tim21亚基介导。Tim21加速Δψ依赖的前体蛋白转运，但仅当呼吸复合体活跃时才有此效应。此外，位于嵴连接（crista junction）的MINOS/MitOS/MICOS复合体与Mia40相互作用，促进依赖Mia40-Erv1二硫键传递系统的膜间隙蛋白导入，但与TIM23依赖的转运无直接关系。Tom70受体活性还受cAMP依赖蛋白激酶A（PKA）的磷酸化调控。
线粒体自身合成蛋白质的组装
线粒体基因组编码的8种蛋白质包括呼吸链复合体III（bc1复合体）、IV（细胞色素c氧化酶）和V（ATP合酶）的疏水亚基，以及一种线粒体小亚基核糖体蛋白。这些蛋白质的合成均结合于内膜，其mRNA由mRNA特异性翻译激活因子引导至内膜。这些线粒体编码亚基的合成为三种呼吸复合体的组装提供成核中心，随后细胞质合成的亚基围绕核心逐步组装。
本文作为酵母手册系列综述，系统整合了从mRNA定位、外膜转运、膜间隙分选、内膜插入到基质导入的完整知识框架，并强调了mRNA定位与蛋白质导入机器之间的功能耦合，以及导入复合体在空间上与呼吸链和嵴结构的联系。该综述为理解线粒体生物发生的多层次调控——从基因表达的空间组织到蛋白质转运的分子机制——提供了重要的参考框架，对研究线粒体疾病及相关细胞生物学过程具有指导价值。