Pohled z jádra

Dostupnost kompletních sekvencí několika jaderných genomů podnítila studie zkoumající evoluční původ mitochondriálního proteomu: souboru proteinů, které tvoří mitochondrii a podílejí se na mitochondriální biogenezi. V S. cerevisiae bylo anotováno přibližně 423 proteinů (393 specifikovaných jaderným genomem), které údajně kódují mitochondriální proteiny . Karlberg a kol. použili vyhledávání podobností a fylogenetické rekonstrukce ke zkoumání evoluční příslušnosti těchto proteinů. V samostatné studii Marcotte et al. použili přístup výpočetní genetiky k přiřazení kvasinkových proteinů k jednotlivým subcelulárním kompartmentům na základě fylogenetického rozložení jejich homologů. Tímto přístupem Marcotte et al. odhadli, že v kvasinkách existuje asi 630 mitochondriálních proteinů (10 % jejich kódující informace).

Ačkoli se obě tyto studie liší v detailech, docházejí k podobným obecným závěrům o původu kvasinkového mitochondriálního proteomu. Konkrétně obě studie – které obě spočívají v zásadě ve vyhledávání podobností – identifikují tři kategorie kvasinkových mitochondriálních proteinů (obrázek (Figure1):1): „specifické pro prokaryota“ (50-60 % z celkového počtu), „specifické pro eukaryota“ (20-30 %) a „specifické pro organismus“ nebo „jedinečné“ (asi 20 %). Prokaryotně specifické mitochondriální proteiny jsou definovány jako ty, které mají protějšky v prokaryotických genomech; eukaryotně specifické mitochondriální proteiny mají protějšky v jiných eukaryotických genomech, ale ne v prokaryotických genomech; a organismově specifické mitochondriální proteiny jsou ty, které jsou zatím jedinečné pro S. cerevisiae. Obě studie navíc poukazují na to, že tato klasifikace koreluje se známými nebo předpokládanými funkcemi proteinů v každé kategorii: prokaryotně specifické mitochondriální proteiny plní převážně úlohu v biosyntéze, bioenergetice a syntéze proteinů, zatímco eukaryotně specifické mitochondriální proteiny fungují hlavně jako membránové komponenty a v regulaci a transportu.

Rozdělení mitochondriálního proteomu kvasinek do různých kategorií podle předpokládaného evolučního původu. Odhadované podíly kvasinkových mitochondriálních proteinů v různých třídách jsou převzaty z .

Co si o těchto provokativních pozorováních myslíme? Přítomnost velké části složek specifických pro prokaryota v mitochondriálním proteomu není vzhledem k prokázanému eubakteriálnímu původu mitochondriálního genomu vůbec neočekávaná. Ale přestože bylo navrženo, že přibližně 215 nebo 370 prokaryotně specifických kvasinkových mitochondriálních genů poskytuje „odhad počtu genů, kterými přispěl ancestrální mitochondriální genom“ , měla by být tato hodnota posuzována s opatrností, a to ze tří důvodů. Zaprvé, velká část „prokaryotně specifických“ mitochondriálních proteinů (podle Karlberga et al. asi polovina ) má protějšky u eukaryot i u bakterií a archeí; některé nebo dokonce mnohé z nich tedy mohly být přítomny již u univerzálního společného předka všech forem života, a proto je možné, že byly přítomny již v jakémkoli organismu, který přispěl jaderným genomem v době mitochondriální endosymbiózy. Za druhé, pouze menšinu (38) prokaryotně specifických, v jádře kódovaných mitochondriálních proteinů kvasinek lze na základě fylogenetické rekonstrukce snadno zařadit k α-proteobakteriím . Za třetí, pouze asi dvě třetiny (24) těchto α-proteobakteriálních genů mají homology v jednom nebo více charakterizovaných mitochondriálních genomech . O zbývajících 14 genech se tvrdí, že jsou „silnými kandidáty na dávný přenos genů z α-proteobakterií do jaderných genomů“ . Protože však v současné době nejsou známy žádné mtDNA kódované homology těchto genů, existuje formální možnost, že některé z nich (například ty, které kódují mitochondriální heat-shock proteiny) vznikly laterálním přenosem genů v době oddělené od mitochondriální endosymbiózy . Přísně vzato si můžeme být jisti pouze tím, že 64 genů kódujících proteiny s přiřazenou funkcí v mtDNA R. americana pochází přímo z mitochondriálního endosymbionta.

Možná nejzajímavějším aspektem těchto dvou studií je eukaryotně specifická část kvasinkového mitochondriálního proteomu a implikace, že „velký počet nových mitochondriálních genů byl rekrutován z jaderného genomu, aby doplnil zbývající geny z bakteriálního předka“ . Jistě existují funkce (jedním z pravděpodobných kandidátů je import proteinů, zprostředkovaný proteinovými translokázami TOM a TIM), které musely mitochondrie získat po počáteční události endosymbiózy a které se podílely na přeměně proto-mitochondrie v integrovanou buněčnou organelu. I zde je však na místě určitá opatrnost při interpretaci těchto pozorování, protože při hledání podobnosti v těchto analýzách byly použity poměrně přísné mezní hodnoty BLAST (E < 10-10 in a E < 10-6 in ). Tato vyhledávání tedy představují „nejlepší scénáře“, v nichž by byly zjištěny pouze homology zachovávající relativně vysokou úroveň sekvenční podobnosti. Mnoho přenesených genů endosymbiontů se mohlo jednoduše sekvenčně příliš lišit na to, aby mohly být identifikovány jako prokaryotické, natož specificky α-proteobakteriální. To může platit zejména pro kvasinky, které jsou evolučně odvozeným organismem s dramaticky redukovaným souborem genů a u nichž identifikace i genů kódovaných mtDNA není vždy jednoduchá . Například gen kódující ribozomální protein S3 v mtDNA S. cerevisiae byl identifikován teprve nedávno na základě analýzy sofistikovaných vícenásobných zarovnání, která zahrnovala sekvence z velkého počtu méně odvozených askomycetů a nižších hub .

Vyvození homologie vyžaduje přísné fylogenetické analýzy a velkou databázi sekvencí s vhodným fylogenetickým rozložením . Další genomická data a porovnání genomů nepochybně zpřesní naše hodnocení toho, jak velká část původního proto-mitochondriálního genového komplexu byla ztracena, na rozdíl od toho, že byla přenesena do jaderného genomu, a jak velká část mitochondriálního proteomu představuje skutečně rekrutované funkce, které se vyvinuly v eukaryotické buňce po jejím vzniku. Údaje a poznatky získané Karlbergem et al. a Marcotte et al. budou jistě podnětem k další podrobné analýze mitochondriálního proteomu u jiných organismů. Ačkoli je snadné pochopit, proč byly pro tyto počáteční výzkumy vybrány kvasinky, dovolujeme si tvrdit, že k řešení otázek týkajících se původu mitochondriálního proteomu velmi potřebujeme genomická data z řady dalších eukaryot. Zvláště atraktivní jsou ti protisté, u nichž může minimálně odvozený a na geny bohatý mitochondriální genom signalizovat srovnatelně starý jaderný genom, v němž lze přenesené mitochondriální geny snadněji a jistěji identifikovat.

.