Une vue du noyau

La disponibilité de séquences complètes pour plusieurs génomes nucléaires a incité des études visant à sonder la ou les origines évolutives du protéome mitochondrial : la collection de protéines qui composent la mitochondrie et sont impliquées dans la biogenèse mitochondriale. Chez S. cerevisiae, quelque 423 protéines (393 spécifiées par le génome nucléaire) ont été annotées comme codant putativement pour des protéines mitochondriales. Karlberg et al. ont utilisé des recherches de similarité et des reconstructions phylogénétiques pour examiner l’affiliation évolutive de ces protéines. Dans une étude distincte, Marcotte et al. ont utilisé une approche de génétique computationnelle pour attribuer des protéines de levure à des compartiments subcellulaires particuliers sur la base de la distribution phylogénétique de leurs homologues. Par cette approche, Marcotte et al. ont estimé qu’il existe environ 630 protéines mitochondriales chez la levure (10 % de ses informations codantes).

Bien que différant dans les détails, ces deux études arrivent à des conclusions générales similaires sur l’origine du protéome mitochondrial de la levure. En particulier, les deux études – qui consistent fondamentalement en des recherches de similarité – identifient trois catégories de protéines mitochondriales de levure (Figure (Figure1):1) : celles qui sont spécifiques aux procaryotes (50 à 60 % du total), celles qui sont spécifiques aux eucaryotes (20 à 30 %) et celles qui sont spécifiques à l’organisme ou uniques (environ 20 %). Les protéines mitochondriales spécifiques des procaryotes sont définies comme celles qui ont des homologues dans les génomes procaryotes ; les protéines mitochondriales spécifiques des eucaryotes ont des homologues dans d’autres génomes eucaryotes mais pas dans les génomes procaryotes ; et les protéines mitochondriales spécifiques des organismes sont celles qui sont jusqu’à présent uniques à S. cerevisiae. En outre, les deux études soulignent que cette classification est en corrélation avec les fonctions connues ou déduites des protéines de chaque catégorie : les protéines mitochondriales spécifiques des procaryotes jouent principalement des rôles dans la biosynthèse, la bioénergétique et la synthèse des protéines, tandis que les protéines mitochondriales spécifiques des eucaryotes fonctionnent principalement comme composants membranaires et dans la régulation et le transport.

Division du protéome mitochondrial de la levure en différentes catégories selon l’origine évolutive inférée. Les proportions estimées de protéines mitochondriales de levure dans les différentes classes sont issues de .

Que faire de ces observations provocantes ? La présence d’une grande fraction de composants spécifiques aux procaryotes dans le protéome mitochondrial n’est pas du tout inattendue, étant donné l’origine eubactérienne démontrée du génome mitochondrial. Cependant, bien qu’il ait été suggéré que les quelque 215 ou 370 gènes mitochondriaux de levure spécifiques des procaryotes fournissent « une estimation du nombre de gènes apportés par le génome mitochondrial ancestral », cette valeur doit être considérée avec prudence, pour trois raisons. Premièrement, une grande partie des protéines mitochondriales « spécifiques des procaryotes » (environ la moitié selon Karlberg et al.) ont des homologues chez les eucaryotes ainsi que chez les bactéries et les archées ; certaines, voire un grand nombre d’entre elles auraient pu être présentes dans l’ancêtre commun universel de toutes les formes de vie et, par conséquent, être déjà présentes dans l’organisme qui a contribué au génome nucléaire au moment de l’endosymbiose mitochondriale. Deuxièmement, seule une minorité (38) des protéines mitochondriales de la levure, spécifiques des procaryotes et codées par le noyau, peut être facilement rattachée aux α-protéobactéries sur la base d’une reconstruction phylogénétique. Troisièmement, seulement environ deux tiers (24) de ces gènes α-protéobactériens ont des homologues dans un ou plusieurs génomes mitochondriaux caractérisés. Les 14 gènes restants sont considérés comme des « candidats forts pour les transferts de gènes anciens des α-protéobactéries aux génomes nucléaires ». Cependant, étant donné qu’aucun homologue de ces gènes codé par l’ADNmt n’est actuellement connu, il existe la possibilité formelle que certains d’entre eux (par exemple, ceux qui codent pour les protéines de choc thermique mitochondriales) soient apparus par transfert latéral de gènes à une époque distincte de l’endosymbiose mitochondriale . À proprement parler, nous ne pouvons être certains que des 64 gènes codant pour des protéines de fonction assignée dans l’ADNmt de R. americana comme dérivant directement de l’endosymbiote mitochondrial.

Peut-être que l’aspect le plus intriguant de ces deux études est la fraction spécifique aux eucaryotes du protéome mitochondrial de la levure et l’implication que « un grand nombre de nouveaux gènes mitochondriaux ont été recrutés à partir du génome nucléaire pour compléter les gènes restants de l’ancêtre bactérien » . Il est certain que certaines fonctions (l’une des candidates probables étant l’importation de protéines, médiée par les translocases protéiques TOM et TIM) ont dû être acquises par les mitochondries après l’endosymbiose initiale et ont contribué à transformer la protomitochondrie en un organite cellulaire intégré. Ici aussi, cependant, une certaine prudence est justifiée dans l’interprétation de ces observations, parce que des seuils BLAST assez stricts (E < 10-10 in et E < 10-6 in ) ont été utilisés dans les recherches de similarité menées dans ces analyses. Ces recherches sont donc des  » scénarios optimaux « , dans lesquels seuls les homologues conservant des niveaux relativement élevés de similarité de séquence auraient été détectés. De nombreux gènes d’endosymbiont transférés peuvent simplement avoir divergé trop loin dans la séquence pour être identifiés comme procaryotes, et encore moins spécifiquement α-protéobactériens. Cela peut être particulièrement vrai pour la levure, qui est un organisme dérivé de l’évolution avec un ensemble de gènes considérablement réduit, et dans lequel l’identification des gènes codés par l’ADNmt n’est pas toujours simple. Par exemple, un gène codant pour la protéine ribosomique S3 dans l’ADNmt de S. cerevisiae n’a été identifié que récemment par l’analyse d’alignements multiples sophistiqués qui comprenaient des séquences provenant d’un grand nombre d’ascomycètes et de champignons inférieurs moins hautement dérivés .

L’inférence de l’homologie nécessite des analyses phylogénétiques rigoureuses et une grande base de données de séquences avec une distribution phylogénétique appropriée . D’autres données génomiques et des comparaisons de génomes affineront sans doute notre évaluation de la quantité de complément de gènes proto-mitochondriaux d’origine a été perdu, par opposition à être transféré au génome nucléaire, et combien du protéome mitochondrial représente des fonctions véritablement recrutés qui ont évolué au sein de la cellule eucaryote après sa formation. Les données et les idées générées par Karlberg et al. et Marcotte et al. vont certainement stimuler d’autres analyses détaillées du protéome mitochondrial chez d’autres organismes. Bien qu’il soit facile de comprendre pourquoi la levure a été l’organisme de choix pour ces premières explorations, nous soutenons que nous avons grandement besoin de données génomiques provenant d’une série d’autres eucaryotes pour répondre aux questions sur l’origine du protéome mitochondrial. Les protistes chez qui un génome mitochondrial peu dérivé et riche en gènes peut signaler un génome nucléaire comparativement ancestral dans lequel les gènes mitochondriaux transférés peuvent être identifiés plus facilement et avec plus de confiance sont particulièrement intéressants.