I mitocondri sono organelli essenziali delle cellule eucariotiche che svolgono ruoli cruciali nella bioenergetica, nel metabolismo cellulare e nelle vie di segnalazione1. Per eseguire correttamente questi compiti, i mitocondri si basano su un insieme unico di proteine e lipidi responsabili della loro struttura e funzione. Il lievito in erba Saccharomyces cerevisiae è stato ampiamente utilizzato come sistema modello per le indagini sui processi mitocondriali, così come per altri organelli2. Il genoma mitocondriale codifica solo per otto proteine nel lievito; la stragrande maggioranza delle proteine mitocondriali (~99%) sono codificate da geni nucleari, che vengono tradotti su ribosomi citosolici e successivamente importati nei loro corretti compartimenti sottocondriali da sofisticati macchinari per l'importazione di proteine3,4,5. Pertanto, la biogenesi mitocondriale dipende dall'espressione coordinata sia del genoma nucleare che di quello mitocondriale6,7. Le mutazioni genetiche che causano difetti nella biogenesi mitocondriale sono associate a malattie umane8,9,10.
Negli ultimi due decenni, studi proteomici ad alto rendimento mirati a mitocondri altamente purificati hanno portato a una caratterizzazione completa del proteoma mitocondriale del lievito, che è stato stimato essere composto da almeno 900 proteine11,12,13,14. Sebbene questi studi abbiano fornito informazioni preziose, la localizzazione suborganellare di ciascuna proteina nei quattro sottocompartimenti mitocondriali, vale a dire la membrana esterna (OM), lo spazio intermembrana (IMS), la membrana interna (IM) e la matrice, è ancora necessaria. Questa domanda è stata parzialmente affrontata con studi proteomici dei due sottocompartimenti mitocondriali più piccoli (OM e IMS)15,16. Più recentemente, Vögtle e collaboratori hanno fatto un importante passo avanti generando una mappa globale di alta qualità della distribuzione delle proteine submitocondriali nel lievito. Utilizzando un approccio integrato che combina la spettrometria di massa quantitativa basata su SILAC, diversi protocolli di frazionamento submitocondriale e il set di dati dei proteomi OM e IMS, gli autori hanno assegnato 818 proteine nei quattro sottocompartimenti mitocondriali13.
Nonostante i progressi raggiunti da questi studi proteomici ad alto rendimento, la nostra conoscenza della composizione del proteoma submitocondriale è lungi dall'essere completa. Infatti, tra le 986 proteine segnalate da Vögtle e collaboratori come localizzate nei mitocondri del lievito, 168 non potevano essere assegnate in nessuno dei quattro compartimenti sottocondriali13. Inoltre, gli autori non hanno fornito informazioni sulla topologia di membrana delle proteine che si prevedeva fossero attaccate perifericamente alla periferia delle membrane mitocondriali. Ad esempio, non è possibile sapere se una proteina che è stata assegnata come attaccata perifericamente alla membrana interna è rivolta verso la matrice o lo spazio intermembrana. Oltre a questi dati mancanti dagli studi a livello di proteoma, ci sono informazioni contrastanti sulla localizzazione suborganellare di un numero significativo di proteine mitocondriali. Un esempio è la proteasi Prd1, che è stata assegnata come proteina dello spazio intermembrana nei database comuni come Saccharomyces Genome Database (SGD) e Uniprot. Sorprendentemente, utilizzando un protocollo di sottofrazionazione simile a quello qui descritto, Vögtle e collaboratori hanno mostrato chiaramente che Prd1 è una vera e propria proteina della matrice13. Come accennato in precedenza, la localizzazione sottocondriale di molte proteine mitocondriali deve essere chiarita o rivalutata. Qui, forniamo un protocollo semplice e affidabile per determinare la localizzazione suborganellare delle proteine mitocondriali del lievito. Questo protocollo è stato sviluppato e ottimizzato da vari gruppi di ricerca ed è stato regolarmente utilizzato per determinare la localizzazione sottocondriale, nonché la topologia di membrana di molte proteine mitocondriali.