En udsigt fra kernen

Den komplette sekvens af flere nukleare genomer har givet anledning til at undersøge den evolutionære oprindelse af mitokondrieproteomet: den samling af proteiner, der udgør mitokondriet og er involveret i mitokondriernes biogenese. I S. cerevisiae er ca. 423 proteiner (393 specificeret af kernegenomet) blevet annoteret som værende potentielt kodende for mitokondrieproteiner . Karlberg et al. anvendte lighedssøgninger og fylogenetiske rekonstruktioner til at undersøge disse proteiners evolutionære tilhørsforhold. I en separat undersøgelse anvendte Marcotte et al. en beregningsgenetisk metode til at tildele gærproteiner til bestemte subcellulære rum på grundlag af den fylogenetiske fordeling af deres homologer. Ved hjælp af denne fremgangsmåde anslog Marcotte et al., at der er ca. 630 mitokondrieproteiner i gær (10 % af dens kodningsinformation).

Selv om de er forskellige i detaljerne, kommer begge disse undersøgelser til lignende generelle konklusioner om oprindelsen af gærmitokondrieproteomet. Især identificerer de to undersøgelser – som begge grundlæggende består af lighedssøgninger – tre kategorier af gærmitokondrieproteiner (Figur (Figur1):1): ‘prokaryote-specifikke’ (50-60% af det samlede antal), ‘eukaryote-specifikke’ (20-30%) og ‘organismespecifikke’ eller ‘unikke’ (ca. 20%). Prokaryote-specifikke mitokondrieproteiner defineres som proteiner, der har modstykker i prokaryote genomer; eukaryote-specifikke mitokondrieproteiner har modstykker i andre eukaryote genomer, men ikke i prokaryote genomer; og organisme-specifikke mitokondrieproteiner er dem, der indtil videre er unikke for S. cerevisiae. Desuden påpeger begge undersøgelser, at denne klassificering korrelerer med de kendte eller formodede funktioner for proteinerne i hver kategori: prokaryote specifikke mitokondrieproteiner spiller overvejende roller i biosyntese, bioenergi og proteinsyntese, mens eukaryote specifikke mitokondrieproteiner hovedsagelig fungerer som membrankomponenter og i regulering og transport.

Opdeling af gærens mitokondrielle proteom i forskellige kategorier i henhold til den udledte evolutionære oprindelse. De anslåede andele af gærmitokondrieproteiner i de forskellige klasser er taget fra .

Hvad skal vi gøre af disse provokerende observationer? Tilstedeværelsen af en stor fraktion af prokaryote-specifikke komponenter i mitokondrieproteomet er slet ikke uventet i betragtning af den påviste eubakterielle oprindelse af mitokondriegenomet. Men selv om det er blevet foreslået, at de ca. 215 eller 370 prokaryote-specifikke gærmitokondrielle gener giver “et skøn over antallet af gener, som det forfædres mitokondrielle genom har bidraget med” , bør denne værdi betragtes med forsigtighed af tre grunde. For det første har en stor del af de “prokaryote-specifikke” mitokondrieproteiner (omkring halvdelen ifølge Karlberg et al. ) modstykker i eukaryoter såvel som i bakterier og arkæer; nogle eller endog mange af disse kunne således godt have været til stede i alle livsformers universelle fælles forfader og var derfor muligvis allerede til stede i den organisme, der bidrog med kernegenomet på tidspunktet for den mitokondrielle endosymbiose. For det andet er det kun et mindretal (38) af de prokaryote-specifikke, kernekodede mitokondrieproteiner i gær, der let kan placeres hos α-proteobakterierne på grundlag af fylogenetisk rekonstruktion . For det tredje har kun omkring to tredjedele (24) af disse α-proteobakterielle gener homologer i et eller flere karakteriserede mitokondrielle genomer . De resterende 14 gener hævdes at være “stærke kandidater for gamle genoverførsler fra α-proteobakterier til nukleare genomer” . Da der i øjeblikket ikke kendes nogen mtDNA-kodede homologer af disse gener, er der imidlertid den formelle mulighed, at nogle af dem (f.eks. dem, der koder for mitokondrielle varmechokproteiner) er opstået ved lateral genoverførsel på et andet tidspunkt end den mitokondrielle endosymbiose . Strengt taget kan vi kun være sikre på, at de 64 proteinkodende gener med en tildelt funktion i R. americana mtDNA stammer direkte fra den mitokondrielle endosymbiont.

Måske er det mest spændende aspekt af disse to undersøgelser den eukaryote-specifikke fraktion af gærmitokondrieproteomet og den implication, at “et stort antal nye mitokondrielle gener blev rekrutteret fra kernegenomet for at supplere de resterende gener fra den bakterielle forfader” . Der er helt sikkert funktioner (en sandsynlig kandidat er proteinimport, som formidles af TOM- og TIM-proteintranslokaserne), som mitokondrier må have erhvervet sig efter den første endosymbiose, og som var medvirkende til at omdanne protomitokondriet til en integreret celleorganel. Også her er der dog en vis forsigtighed i fortolkningen af disse observationer, fordi der blev anvendt ret strenge BLAST-cutoffs (E < 10-10 in og E < 10-6 in ) i de lighedssøgninger, der blev foretaget i disse analyser. Disse søgninger er således “best-case-scenarier”, hvor kun homologer med relativt store sekvensligheder ville være blevet opdaget. Mange overførte endosymbiontgener kan simpelthen have divergeret for meget i sekvens til at kunne identificeres som prokaryotiske, endsige specifikt α-proteobakterielle. Dette kan især være tilfældet for gær, som er en evolutionært afledt organisme med et dramatisk reduceret sæt af gener, og hvor identifikation af selv mtDNA-kodede gener ikke altid er ligetil . For eksempel blev et gen, der koder for ribosomalt protein S3 i S. cerevisiae mtDNA, først for nylig identificeret gennem analyse af sofistikerede multiple alignments, der omfattede sekvenser fra et stort antal mindre højt afledte ascomyceter og lavere svampe .

Indledning af homologi kræver strenge fylogenetiske analyser og en stor database af sekvenser med en passende fylogenetisk fordeling . Yderligere genomiske data og genomsammenligninger vil uden tvivl forfine vores vurdering af, hvor meget af det oprindelige proto-mitokondrielle genkomplement der gik tabt i modsætning til at blive overført til kernegenomet, og hvor meget af det mitokondrielle proteom repræsenterer reelt rekrutterede funktioner, der udviklede sig inden for den eukaryote celle efter dens dannelse. De data og indsigter, som Karlberg et al. og Marcotte et al. har skabt, vil helt sikkert stimulere yderligere detaljerede analyser af det mitokondrielle proteom i andre organismer. Selv om det er let at forstå, hvorfor gær var den foretrukne organisme til disse indledende undersøgelser, vil vi hævde, at vi i høj grad har brug for genomiske data fra en række andre eukaryoter for at løse spørgsmål om mitokondriens proteomers oprindelse. Særligt tiltrækkende er de protister, hvor et minimalt afledt og genrigt mitokondriegenom kan signalere et forholdsvis forfaderligt kernegenom, hvor overførte mitokondriegener lettere og mere sikkert kan identificeres.