A view from the nucleus

A több nukleáris genom teljes szekvenciáinak rendelkezésre állása arra ösztönzött, hogy a mitokondriális proteom – a mitokondriumot alkotó és a mitokondriális biogenezisben részt vevő fehérjék gyűjteménye – evolúciós eredetét vagy eredeteit vizsgálják. Az S. cerevisiae-ben mintegy 423 fehérjét (393-at a nukleáris genom határoz meg) jelöltek meg úgy, mint amelyek feltételezhetően mitokondriális fehérjéket kódolnak. Karlberg és munkatársai hasonlósági kereséseket és filogenetikai rekonstrukciókat alkalmaztak e fehérjék evolúciós hovatartozásának vizsgálatára. Egy külön tanulmányban Marcotte és munkatársai számítógépes genetikai megközelítést alkalmaztak arra, hogy homológjaik filogenetikai eloszlása alapján az élesztőfehérjéket bizonyos szubcelluláris kompartmentekhez rendeljék. Ezzel a megközelítéssel Marcotte és munkatársai úgy becsülték, hogy az élesztőben körülbelül 630 mitokondriális fehérje van (az élesztő kódoló információinak 10%-a).

A két tanulmány, bár részleteiben eltér, hasonló általános következtetésekre jutott az élesztő mitokondriális proteom eredetével kapcsolatban. Különösen a két tanulmány – amelyek mindkettő alapvetően hasonlósági keresésekből áll – az élesztő mitokondriális fehérjék három kategóriáját azonosítja (ábra (ábra1):1): “prokarióta-specifikus” (az összes fehérje 50-60%-a), “eukarióta-specifikus” (20-30%) és “szervezet-specifikus” vagy “egyedi” (kb. 20%). A prokarióta-specifikus mitokondriális fehérjéket úgy határozzuk meg, mint amelyeknek vannak megfelelőik a prokarióta genomokban; az eukarióta-specifikus mitokondriális fehérjéknek vannak megfelelőik más eukarióta genomokban, de prokarióta genomokban nem; az organizmus-specifikus mitokondriális fehérjék pedig az eddig csak az S. cerevisiae-re jellemzőek. Emellett mindkét tanulmány rámutat arra, hogy ez a besorolás korrelál az egyes kategóriákba tartozó fehérjék ismert vagy következtetett funkcióival: a prokarióta-specifikus mitokondriális fehérjék túlnyomórészt a bioszintézisben, a bioenergetikában és a fehérjeszintézisben játszanak szerepet, míg az eukarióta-specifikus mitokondriális fehérjék elsősorban membránkomponensként, valamint a szabályozásban és a transzportban működnek.

Az élesztő mitokondriális proteom felosztása különböző kategóriákra a feltételezett evolúciós eredet szerint. Az élesztő mitokondriális fehérjék becsült aránya a különböző osztályokban a .

Mit kezdjünk ezekkel a provokatív megfigyelésekkel? A mitokondriális proteomban a prokarióta-specifikus komponensek nagy hányadának jelenléte egyáltalán nem váratlan, tekintettel a mitokondriális genom bizonyítottan eubakteriális eredetére. De bár felmerült, hogy a körülbelül 215 vagy 370 prokarióta-specifikus élesztő mitokondriális gén “becslést ad az ősi mitokondriális genom által hozzáadott gének számáról” , ezt az értéket három okból is óvatosan kell kezelni. Először is, a “prokarióta-specifikus” mitokondriális fehérjék nagy részének (Karlberg et al. szerint körülbelül a felének) vannak megfelelői az eukariótákban, valamint a baktériumokban és az archaikusokban; ezek közül néhány vagy akár sok is jelen lehetett az összes életforma egyetemes közös ősében, és ezért elképzelhető, hogy már jelen volt abban a szervezetben, amely a mitokondriális endoszimbiózis idején a nukleáris genomot adta. Másodszor, az élesztő prokarióta-specifikus, sejtmagban kódolt mitokondriális fehérjéinek csak egy kisebbsége (38) helyezhető el könnyen az α-proteobaktériumok között a filogenetikai rekonstrukció alapján. Harmadszor, ezeknek az α-proteobakteriális géneknek csak mintegy kétharmada (24) rendelkezik homológgal egy vagy több jellemzett mitokondriális genomban . A fennmaradó 14 génről azt állítják, hogy “erős jelöltek az α-proteobaktériumokból a nukleáris genomokba történő ősi génátvitelre” . Mivel azonban e gének mtDNS-kódolt homológjai jelenleg nem ismertek, fennáll annak a formális lehetősége, hogy némelyikük (például a mitokondriális hősokkfehérjéket kódoló gének) a mitokondriális endoszimbiózistól eltérő időpontban, laterális génátvitel útján keletkezett . Szigorúan véve csak abban lehetünk biztosak, hogy az R. americana mtDNS-ben található 64 fehérjekódoló gént, amelyeknek funkciója meghatározott, közvetlenül a mitokondriális endoszimbiontából származik.

A két tanulmány talán legérdekesebb aspektusa az élesztő mitokondriális proteom eukarióta-specifikus frakciója és az a következtetés, hogy “nagyszámú új mitokondriális gént toboroztak a nukleáris genomból, hogy kiegészítsék a bakteriális ősből megmaradt géneket” . Bizonyára vannak olyan funkciók (az egyik valószínű jelölt a fehérjeimport, amelyet a TOM és TIM fehérjetranszlokázok közvetítenek), amelyeket a mitokondriumoknak a kezdeti endoszimbiózis eseményt követően kellett megszerezniük, és amelyek fontos szerepet játszottak a proto-mitokondrium integrált sejtorganellává alakításában. Itt is indokolt azonban némi óvatosság e megfigyelések értelmezésében, mivel az ezen elemzések során végzett hasonlósági keresések során meglehetősen szigorú BLAST-határértékeket (E < 10-10 in és E < 10-6 in ) alkalmaztunk. Ezek a keresések tehát a “legjobb esetek forgatókönyvei”, amelyekben csak a viszonylag magas szintű szekvencia-hasonlóságot fenntartó homológok kerültek volna felderítésre. Sok átvitt endoszimbionta gén szekvenciája egyszerűen túlságosan eltérhetett ahhoz, hogy prokarióta, pláne specifikusan α-proteobakteriális génként lehessen azonosítani. Ez különösen igaz lehet az élesztőre, amely egy evolúciósan származtatott szervezet, amelynek génkészlete drámaian lecsökkent, és amelyben még az mtDNS-kódolt gének azonosítása sem mindig egyszerű. Például az S. cerevisiae mtDNS-ben található S3 riboszomális fehérjét kódoló gént csak a közelmúltban azonosították olyan kifinomult többszörös illesztések elemzésével, amelyek nagyszámú, kevésbé magasan származtatott aszkomycétákból és alacsonyabb rendű gombákból származó szekvenciákat tartalmaztak .

A homológia következtetéséhez szigorú filogenetikai elemzésekre és a megfelelő filogenetikai eloszlású szekvenciák nagy adatbázisára van szükség . További genomikai adatok és genom-összehasonlítások kétségtelenül finomítani fogják értékelésünket arról, hogy az eredeti proto-mitokondriális génkomplement mekkora része veszett el, szemben azzal, hogy átkerült a nukleáris genomba, és hogy a mitokondriális proteom mekkora része képvisel valóban rekrutált funkciókat, amelyek az eukarióta sejtben fejlődtek ki annak kialakulása után. A Karlberg és munkatársai, valamint Marcotte és munkatársai által generált adatok és meglátások minden bizonnyal ösztönözni fogják a mitokondriális proteom további részletes elemzését más organizmusokban. Bár könnyű megérteni, hogy miért az élesztő volt a kiválasztott szervezet ezeknek a kezdeti vizsgálatoknak a célszervezete, mi azt állítjuk, hogy nagyon is szükségünk van számos más eukarióta genomikai adataira ahhoz, hogy a mitokondriális proteom eredetével kapcsolatos kérdéseket megválaszolhassuk. Különösen vonzóak azok a protiszták, amelyekben egy minimálisan származtatott és génekben gazdag mitokondriális genom jelezhet egy összehasonlíthatóan ősi nukleáris genomot, amelyben az átvitt mitokondriális gének könnyebben és biztosabban azonosíthatók.