Näkemys ytimestä

Monien ydingenomien täydellisten sekvenssien saatavuus on saanut tutkimukset tutkimaan mitokondrioiden proteomin evolutiivista alkuperää (evolutiivisia alkuperiä): kokoelma proteiineja, jotka muodostavat mitokondrion ja osallistuvat mitokondrioiden biogeneesiin. S. cerevisiae -bakteerissa noin 423 proteiinia (393 on määritelty ydingenomissa) on merkitty oletettavasti mitokondrion proteiineja koodaaviksi. Karlberg et al. käyttivät samankaltaisuushakuja ja fylogeneettisiä rekonstruktioita tutkiakseen näiden proteiinien evolutiivista kuulumista. Erillisessä tutkimuksessa Marcotte et al. käyttivät laskennallisen genetiikan lähestymistapaa osoittaakseen hiivaproteiinit tiettyihin alisoluisiin lokeroihin niiden homologien fylogeneettisen jakautumisen perusteella. Tällä lähestymistavalla Marcotte et al. arvioivat, että hiivassa on noin 630 mitokondrioproteiinia (10 % sen koodaavasta informaatiosta).

Vaikka nämä molemmat tutkimukset eroavat toisistaan yksityiskohdiltaan, ne päätyvät samankaltaisiin yleisiin johtopäätöksiin hiivan mitokondrioproteomin alkuperästä. Erityisesti näissä kahdessa tutkimuksessa – jotka molemmat koostuvat pohjimmiltaan samankaltaisuushauista – tunnistetaan kolme hiivan mitokondrioproteiinien luokkaa (Kuva (Kuva1):1): ”prokaryootti-spesifiset” (50-60 % kokonaismäärästä), ”eukaryootti-spesifiset” (20-30 %) ja ”organismispesifiset” tai ”ainutlaatuiset” (noin 20 %). Prokaryootti-spesifisillä mitokondrioproteiineilla tarkoitetaan proteiineja, joilla on vastineita prokaryoottien genomeissa; eukaryootti-spesifisillä mitokondrioproteiineilla on vastineita muissa eukaryoottien genomeissa, mutta ei prokaryoottien genomeissa; ja organismispesifisillä mitokondrioproteiineilla tarkoitetaan sellaisia proteiineja, jotka ovat toistaiseksi ainutlaatuisia S. cerevisiaelle. Lisäksi molemmissa tutkimuksissa huomautetaan, että tämä luokittelu korreloi kumpaankin luokkaan kuuluvien proteiinien tunnettujen tai pääteltyjen toimintojen kanssa: prokaryootti-spesifiset mitokondrioproteiinit suorittavat pääasiassa tehtäviä biosynteesissä, bioenergiassa ja proteiinisynteesissä, kun taas eukaryootti-spesifiset mitokondrioproteiinit toimivat pääasiassa kalvokomponentteina sekä säätelyssä ja kuljetuksessa.

Hiivan mitokondrioproteomin jako eri luokkiin oletetun evolutiivisen alkuperän mukaan. Hiivan mitokondrioproteiinien arvioidut osuudet eri luokissa on otettu .

Mitä teemme näistä provokatiivisista havainnoista? Prokaryootti-spesifisten komponenttien suuren osuuden esiintyminen mitokondrioiden proteomissa ei ole lainkaan odottamatonta, kun otetaan huomioon mitokondrioiden genomin osoitettu eubakteerinen alkuperä. Mutta vaikka on ehdotettu, että noin 215 tai 370 prokaryootti-spesifistä hiivan mitokondriogeenia antaa ”arvion esi-isien mitokondriogenomin tuottamien geenien määrästä”, tähän arvoon on suhtauduttava varovaisesti kolmesta syystä. Ensinnäkin suurella osalla ”prokaryootti-spesifisistä” mitokondrioproteiineista (Karlbergin ym. mukaan noin puolella) on vastineita eukaryooteissa sekä bakteereissa ja arkeoissa; jotkut tai jopa monet näistä proteiineista ovat siis saattaneet olla jo kaikkien elämänmuotojen yleismaailmallisessa yhteisessä esi-isässä, ja näin ollen ne saattoivat mahdollisesti olla jo olemassa siinä organismissa, joka oli mukana ydingenomin luovuttajana mitokondrioiden endosymbioosin aikaan. Toiseksi vain vähemmistö (38) hiivan prokaryoottispesifisistä, tuman koodaamista mitokondrioproteiineista voidaan fylogeneettisen rekonstruktion perusteella helposti sijoittaa α-proteobakteereihin. Kolmanneksi vain noin kahdella kolmasosalla (24) näistä α-proteobakteerien geeneistä on homologeja yhdessä tai useammassa karakterisoidussa mitokondriogenomissa . Jäljelle jäävien 14 geenin väitetään olevan ”vahvoja ehdokkaita muinaisista geeninsiirroista α-proteobakteereista ydingenomeihin” . Koska näiden geenien mtDNA-koodattuja homologeja ei tällä hetkellä tunneta, on kuitenkin muodollisesti mahdollista, että jotkin niistä (esimerkiksi mitokondriaalisia lämpösokkiproteiineja koodaavat geenit) ovat syntyneet lateraalisen geeninsiirron kautta mitokondriaalisesta endosymbioosista erillisenä ajankohtana . Tarkkaan ottaen voimme olla varmoja vain siitä, että R. americanan mtDNA:n 64 proteiinia koodaavaa geeniä, joilla on määritetty tehtävä, ovat peräisin suoraan mitokondrion endosymbiontista.

Ehkä kaikkein kiehtovin näkökohta näissä kahdessa tutkimuksessa on hiivan mitokondrioproteomin eukaryootti-spesifinen osuus ja viittaus siihen, että ”suuri määrä uusia mitokondriogeenejä rekrytoitiin ydingenomista täydentämään jäljelle jääviä geenejä bakteeriperäisestä esi-isästä” . Varmasti on olemassa toimintoja (yksi todennäköinen ehdokas on proteiinien tuonti, jota välittävät TOM- ja TIM-proteiinitranslokaasit), jotka mitokondrioiden on täytynyt saada käyttöönsä alkuperäisen endosymbioositapahtuman jälkeen ja jotka vaikuttivat merkittävästi proto-mitokondrion muuttumiseen integroiduksi soluelimeksi. Tässäkin tapauksessa näiden havaintojen tulkinnassa on kuitenkin syytä olla varovainen, koska näissä analyyseissä tehdyissä samankaltaisuushauissa käytettiin melko tiukkoja BLASTin raja-arvoja (E < 10-10 in ja E < 10-6 in ). Nämä haut ovat näin ollen ”parhaan tapauksen skenaarioita”, joissa olisi havaittu vain homologit, joilla on suhteellisen suuri samankaltaisuus. Monet siirretyistä endosymbiontigeeneistä ovat saattaneet yksinkertaisesti poiketa sekvenssiltään liian paljon, jotta ne olisi voitu tunnistaa prokaryoottisiksi, saati nimenomaan α-proteobakteerisiksi. Tämä saattaa päteä erityisesti hiivaan, joka on evolutiivisesti johdettu organismi, jonka geeniperimä on huomattavasti suppeampi ja jossa jopa mtDNA:n koodaamien geenien tunnistaminen ei ole aina yksinkertaista. Esimerkiksi S. cerevisiaen mtDNA:ssa oleva ribosomaalista proteiinia S3 koodaava geeni tunnistettiin vasta hiljattain analysoimalla hienostuneita moninkertaisia linjauksia, jotka sisälsivät sekvenssejä suuresta määrästä vähemmän pitkälle johdettuja ascomyceteja ja alempia sieniä .

Homologian päätteleminen edellyttää tiukkoja fylogeneettisiä analyysejä ja laajaa tietokantaa sekvensseistä, joilla on sopiva fylogeneettinen jakauma . Lisägenomitiedot ja genomivertailut tulevat epäilemättä tarkentamaan arvioitamme siitä, kuinka suuri osa alkuperäisestä proto-mitokondrioiden geenikomplementista hävisi sen sijaan, että se olisi siirretty ydingenomiin, ja kuinka suuri osa mitokondrioiden proteomista edustaa aidosti rekrytoituja toimintoja, jotka kehittyivät eukaryoottisolun sisällä sen muodostumisen jälkeen. Karlbergin ym. ja Marcotten ym. tuottamat tiedot ja oivallukset kannustavat varmasti muiden organismien mitokondrioiden proteomin yksityiskohtaiseen analysointiin. Vaikka on helppo ymmärtää, miksi hiiva valittiin näiden ensimmäisten tutkimusten kohteena olevaksi organismiksi, väittäisimme, että tarvitsemme kipeästi genomitietoja useista muista eukaryooteista, jotta voimme vastata mitokondrioiden proteomin alkuperää koskeviin kysymyksiin. Erityisen houkuttelevia ovat ne protistit, joissa minimaalisesti johdettu ja geenirikas mitokondrion genomi voi olla merkki verrattain esi-isäisestä ydingenomista, jossa siirretyt mitokondrion geenit voidaan tunnistaa helpommin ja varmemmin.