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Una visión desde el núcleo
La disponibilidad de secuencias completas de varios genomas nucleares ha impulsado estudios para indagar en el origen o los orígenes evolutivos del proteoma mitocondrial: el conjunto de proteínas que componen la mitocondria y que participan en la biogénesis mitocondrial. En S. cerevisiae, unas 423 proteínas (393 especificadas por el genoma nuclear) han sido anotadas como putativas codificadoras de proteínas mitocondriales. Karlberg et al. emplearon búsquedas de similitud y reconstrucciones filogenéticas para examinar la afiliación evolutiva de estas proteínas. En otro estudio, Marcotte et al. utilizaron un enfoque de genética computacional para asignar las proteínas de la levadura a determinados compartimentos subcelulares sobre la base de la distribución filogenética de sus homólogos. Mediante este enfoque, Marcotte et al. estimaron que existen unas 630 proteínas mitocondriales en la levadura (el 10% de su información codificada).
Aunque difieren en los detalles, ambos estudios llegan a conclusiones generales similares sobre el origen del proteoma mitocondrial de la levadura. En particular, los dos estudios -que consisten fundamentalmente en búsquedas de similitudes- identifican tres categorías de proteínas mitocondriales de levadura (Figura (Figura1):1): «procariota-específicas» (50-60% del total), «eucariota-específicas» (20-30%) y «organismo-específicas», o «únicas» (alrededor del 20%). Las proteínas mitocondriales específicas de procariota se definen como aquellas que tienen homólogos en los genomas procariotas; las proteínas mitocondriales específicas de eucariota tienen homólogos en otros genomas eucariotas pero no en los procariotas; y las proteínas mitocondriales específicas de organismo son las que hasta ahora son exclusivas de S. cerevisiae. Además, ambos estudios señalan que esta clasificación se correlaciona con las funciones conocidas o inferidas de las proteínas de cada categoría: las proteínas mitocondriales específicas de procariotas desempeñan predominantemente papeles en la biosíntesis, la bioenergética y la síntesis de proteínas, mientras que las proteínas mitocondriales específicas de eucariotas funcionan principalmente como componentes de la membrana y en la regulación y el transporte.
División del proteoma mitocondrial de la levadura en diferentes categorías según el origen evolutivo inferido. Las proporciones estimadas de las proteínas mitocondriales de la levadura en las distintas clases están tomadas de .
¿Qué hacemos con estas provocativas observaciones? La presencia de una gran fracción de componentes específicos de procariotas en el proteoma mitocondrial no es en absoluto inesperada, dado el demostrado origen eubacteriano del genoma mitocondrial. Pero aunque se ha sugerido que los aproximadamente 215 o 370 genes mitocondriales de levadura específicos de procariota proporcionan «una estimación del número de genes aportados por el genoma mitocondrial ancestral», este valor debe considerarse con precaución, por tres razones. En primer lugar, una gran proporción de las proteínas mitocondriales «específicas de procariotas» (aproximadamente la mitad según Karlberg et al. ) tienen homólogos en eucariotas, así como en bacterias y arqueas; por tanto, algunas o incluso muchas de ellas podrían haber estado presentes en el ancestro común universal de todas las formas de vida y, por lo tanto, es posible que ya estuvieran presentes en cualquier organismo que aportara el genoma nuclear en el momento de la endosimbiosis mitocondrial. En segundo lugar, sólo una minoría (38) de las proteínas mitocondriales específicas de los procariotas y codificadas en el núcleo de la levadura pueden situarse fácilmente en las α-proteobacterias sobre la base de la reconstrucción filogenética. En tercer lugar, sólo dos tercios (24) de estos genes de α-proteobacterias tienen homólogos en uno o más genomas mitocondriales caracterizados. Los 14 genes restantes se consideran «firmes candidatos a las antiguas transferencias de genes de las α-proteobacterias a los genomas nucleares». Sin embargo, al no conocerse actualmente ningún homólogo codificado por el ADNmt de estos genes, existe la posibilidad formal de que algunos de ellos (por ejemplo, los que codifican las proteínas mitocondriales de choque térmico) hayan surgido por transferencia genética lateral en un momento distinto de la endosimbiosis mitocondrial . Estrictamente hablando, sólo podemos estar seguros de que los 64 genes codificadores de proteínas de función asignada en el ADNmt de R. americana derivan directamente del endosimbionte mitocondrial.
Tal vez el aspecto más intrigante de estos dos estudios es la fracción específica de eucariotas del proteoma mitocondrial de la levadura y la implicación de que «un gran número de nuevos genes mitocondriales fueron reclutados del genoma nuclear para complementar los genes restantes del ancestro bacteriano» . Ciertamente, hay funciones (un candidato probable es la importación de proteínas, mediada por las translocasas de proteínas TOM y TIM) que deben haber sido adquiridas por las mitocondrias después del evento inicial de endosimbiosis y que fueron fundamentales para transformar la proto-mitocondria en un orgánulo celular integrado. Sin embargo, también en este caso hay que tener cierta precaución a la hora de interpretar estas observaciones, ya que en las búsquedas de similitud realizadas en estos análisis se utilizaron límites de BLAST bastante estrictos (E < 10-10 in y E < 10-6 in ). Estas búsquedas son, por tanto, el «mejor de los casos», en el que sólo se habrían detectado los homólogos que conservan niveles relativamente altos de similitud de secuencia. Es posible que muchos genes endosimbiontes transferidos simplemente hayan divergido demasiado en su secuencia como para ser identificados como procariotas, y mucho menos específicamente como α-proteobacterias. Esto puede ser especialmente cierto en el caso de la levadura, que es un organismo evolutivamente derivado con un conjunto de genes drásticamente reducido, y en el que la identificación incluso de los genes codificados por el ADNmt no siempre es sencilla. Por ejemplo, un gen que codifica la proteína ribosómica S3 en el ADNmt de S. cerevisiae sólo se identificó recientemente mediante el análisis de sofisticados alineamientos múltiples que incluían secuencias de un gran número de ascomicetos y hongos inferiores menos derivados.
La inferencia de la homología requiere rigurosos análisis filogenéticos y una gran base de datos de secuencias con una distribución filogenética adecuada . Los datos genómicos adicionales y las comparaciones de genomas sin duda refinarán nuestra evaluación de cuánto del complemento genético proto-mitocondrial original se perdió, en lugar de ser transferido al genoma nuclear, y cuánto del proteoma mitocondrial representa funciones genuinamente reclutadas que evolucionaron dentro de la célula eucariota después de su formación. Los datos y los conocimientos generados por Karlberg et al. y Marcotte et al. estimularán sin duda otros análisis detallados del proteoma mitocondrial en otros organismos. Aunque es fácil entender por qué la levadura fue el organismo elegido para estas exploraciones iniciales, nos gustaría argumentar que necesitamos datos genómicos de una serie de otros eucariotas para abordar las cuestiones sobre el origen del proteoma mitocondrial. Son especialmente atractivos los protistas en los que un genoma mitocondrial mínimamente derivado y rico en genes puede señalar un genoma nuclear comparativamente ancestral en el que los genes mitocondriales transferidos pueden identificarse con mayor facilidad y seguridad.