Una vista dal nucleo

La disponibilità di sequenze complete per diversi genomi nucleari ha spinto gli studi a sondare l’origine evolutiva del proteoma mitocondriale: l’insieme delle proteine che costituiscono il mitocondrio e sono coinvolte nella biogenesi mitocondriale. In S. cerevisiae, circa 423 proteine (393 specificate dal genoma nucleare) sono state annotate come putativamente codificanti proteine mitocondriali. Karlberg et al. hanno impiegato ricerche di somiglianza e ricostruzioni filogenetiche per esaminare l’affiliazione evolutiva di queste proteine. In uno studio separato, Marcotte et al. hanno utilizzato un approccio di genetica computazionale per assegnare le proteine del lievito a particolari compartimenti subcellulari sulla base della distribuzione filogenetica dei loro omologhi. Con questo approccio, Marcotte et al. hanno stimato che ci sono circa 630 proteine mitocondriali nel lievito (il 10% delle sue informazioni codificanti).

Anche se diversi nei dettagli, entrambi questi studi giungono a conclusioni generali simili sull’origine del proteoma mitocondriale del lievito. In particolare, i due studi – che consistono entrambi fondamentalmente in ricerche di somiglianza – identificano tre categorie di proteine mitocondriali di lievito (Figura (Figura1):1): ‘procariote-specifiche’ (50-60% del totale), ‘eucariote-specifiche’ (20-30%) e ‘organismo-specifiche’, o ‘uniche’ (circa 20%). Le proteine mitocondriali procariote-specifiche sono definite come quelle che hanno controparti nei genomi procarioti; le proteine mitocondriali eucariote-specifiche hanno controparti in altri genomi eucarioti ma non nei genomi procarioti; e le proteine mitocondriali organismo-specifiche sono quelle finora uniche in S. cerevisiae. Inoltre, entrambi gli studi sottolineano che questa classificazione è correlata alle funzioni conosciute o dedotte delle proteine in ogni categoria: le proteine mitocondriali specifiche dei procarioti svolgono prevalentemente ruoli nella biosintesi, nella bioenergetica e nella sintesi proteica, mentre le proteine mitocondriali specifiche degli eucarioti funzionano principalmente come componenti di membrana e nella regolazione e trasporto.

Divisione del proteoma mitocondriale del lievito in diverse categorie secondo l’origine evolutiva dedotta. Le proporzioni stimate delle proteine mitocondriali di lievito nelle varie classi sono tratte da .

Cosa ne facciamo di queste osservazioni provocatorie? La presenza di una grande frazione di componenti procarioti specifici nel proteoma mitocondriale non è affatto inaspettata, data la dimostrata origine eubatterica del genoma mitocondriale. Ma anche se è stato suggerito che i circa 215 o 370 geni mitocondriali di lievito specifici dei procarioti forniscono “una stima del numero di geni apportati dal genoma mitocondriale ancestrale”, questo valore dovrebbe essere considerato con cautela, per tre motivi. In primo luogo, una gran parte delle proteine mitocondriali “procariote-specifiche” (circa la metà secondo Karlberg et al. ) hanno controparti negli eucarioti così come nei batteri e negli archei; alcuni o anche molti di questi potrebbero essere stati presenti nell’antenato comune universale di tutte le forme di vita e, quindi, erano plausibilmente già presenti in qualsiasi organismo abbia contribuito al genoma nucleare al momento dell’endosimbiosi mitocondriale. In secondo luogo, solo una minoranza (38) delle proteine mitocondriali specifiche dei procarioti e codificate dal nucleo del lievito possono essere facilmente collocate con gli α-proteobatteri sulla base della ricostruzione filogenetica. In terzo luogo, solo circa due terzi (24) di questi geni α-proteobatteri hanno omologhi in uno o più genomi mitocondriali caratterizzati. I restanti 14 geni sono considerati “forti candidati per antichi trasferimenti di geni dagli α-proteobatteri ai genomi nucleari”. Poiché nessun omologo codificato in mtDNA di questi geni è attualmente noto, tuttavia, esiste la possibilità formale che alcuni di essi (per esempio, quelli che codificano le proteine mitocondriali heat-shock) siano sorti per trasferimento genico laterale in un momento separato dall’endosimbiosi mitocondriale. In senso stretto, possiamo essere certi che i 64 geni codificanti le proteine di funzione assegnata nel mtDNA di R. americana derivino direttamente dall’endosimbionte mitocondriale.

Forse l’aspetto più intrigante di questi due studi è la frazione eucariote-specifica del proteoma mitocondriale del lievito e l’implicazione che “un gran numero di nuovi geni mitocondriali sono stati reclutati dal genoma nucleare per integrare i rimanenti geni dell’antenato batterico”. Certamente, ci sono funzioni (un probabile candidato è l’importazione di proteine, mediata dalle traslocasi proteiche TOM e TIM) che devono essere state acquisite dai mitocondri dopo l’evento iniziale dell’endosimbiosi e che sono state strumentali nel trasformare il proto-mitocondrio in un organello cellulare integrato. Anche in questo caso, tuttavia, è necessaria una certa cautela nell’interpretazione di queste osservazioni, perché sono stati utilizzati cutoff BLAST abbastanza rigorosi (E < 10-10 in e E < 10-6 in ) nelle ricerche di somiglianza condotte in queste analisi. Queste ricerche sono quindi “i migliori scenari”, in cui solo gli omologhi che mantengono livelli relativamente alti di somiglianza di sequenza sarebbero stati rilevati. Molti geni endosimbionti trasferiti potrebbero semplicemente essersi discostati troppo nella sequenza per essere identificati come procariotici, per non parlare di quelli specificamente α-proteobatterici. Questo può essere particolarmente vero per il lievito, che è un organismo evolutivamente derivato con un insieme drammaticamente ridotto di geni, e in cui l’identificazione anche dei geni codificati dal mtDNA non è sempre semplice. Per esempio, un gene che codifica la proteina ribosomiale S3 nell’mtDNA di S. cerevisiae è stato identificato solo recentemente attraverso l’analisi di sofisticati allineamenti multipli che includevano sequenze da un gran numero di ascomiceti e funghi inferiori meno altamente derivati.

La deduzione dell’omologia richiede rigorose analisi filogenetiche e un ampio database di sequenze con una distribuzione filogenetica adeguata. Ulteriori dati genomici e confronti tra genomi senza dubbio affineranno la nostra valutazione di quanto del complemento genico proto-mitocondriale originale è stato perso, invece di essere trasferito al genoma nucleare, e quanto del proteoma mitocondriale rappresenta funzioni realmente reclutate che si sono evolute all’interno della cellula eucariotica dopo la sua formazione. I dati e le intuizioni generate da Karlberg et al. e Marcotte et al. stimoleranno certamente ulteriori analisi dettagliate del proteoma mitocondriale in altri organismi. Mentre è facile capire perché il lievito è stato l’organismo scelto per queste esplorazioni iniziali, noi sosteniamo che abbiamo molto bisogno di dati genomici da una serie di altri eucarioti per affrontare le domande sull’origine del proteoma mitocondriale. Particolarmente interessanti sono quei protisti in cui un genoma mitocondriale minimamente derivato e ricco di geni può segnalare un genoma nucleare comparabilmente ancestrale in cui i geni mitocondriali trasferiti possono essere identificati più facilmente e con sicurezza.