A view from nucleus

いくつかの核ゲノムの完全配列が利用可能になったことで、ミトコンドリアを構成するタンパク質やミトコンドリア生合成に関わるタンパク質の集合体であるミトコンドリアプロテオームの進化的起源について調べる研究が進められている。 S. cerevisiaeでは、423のタンパク質（核ゲノムで特定された393）がミトコンドリアタンパク質をコードしていると推定されるとして注釈されている。 Karlbergらは、類似性検索と系統的再構築により、これらのタンパク質の進化的所属を検討した。 また、Marcotteらは、計算遺伝学の手法を用いて、酵母タンパク質のホモログの系統的分布に基づいて、酵母タンパク質を特定の細胞内コンパートメントに割り当てるという研究を行っています。 このアプローチにより、Marcotteらは、酵母には約630個のミトコンドリアタンパク質（そのコード情報の10％）があると推定した。

詳細は異なるが、これらの研究は両方とも、酵母ミトコンドリアプロテオームの起源について同様の一般的結論に達している。 特に、2つの研究-どちらも基本的には類似性検索からなる-は、酵母ミトコンドリアタンパク質の3つのカテゴリーを特定する（図（Figure1）：1）。 原核生物特異的」（全体の50-60％）、「真核生物特異的」（20-30％）、「生物特異的」または「ユニーク」（約20％）である。 原核生物特異的ミトコンドリアタンパク質とは原核生物ゲノムに対応するタンパク質を指し、真核生物特異的ミトコンドリアタンパク質とは他の真核生物ゲノムに対応し原核生物ゲノムにはないタンパク質を指し、生物特異的ミトコンドリアタンパク質とは今のところセレビシエに固有のタンパク質を指します。 原核生物特異的ミトコンドリアタンパク質は、主に生合成、生体エネルギー、タンパク質合成の役割を果たし、真核生物特異的ミトコンドリアタンパク質は、主に膜成分として、調節と輸送の機能を果たす。 オブジェクト名は gb-2001-2-6-reviews1018-1.jpg

これらの挑発的な観察から何を作るのだろうか？ ミトコンドリアゲノムの起源が真正細菌であることが証明されていることから、ミトコンドリアプロテオームに原核生物特有の成分が多く存在することは、全く予想外のことではありません。 しかし、約215あるいは370の原核生物特異的な酵母ミトコンドリア遺伝子は、「祖先のミトコンドリアゲノムが寄与した遺伝子数の推定値」を提供すると示唆されているが、この値は、3つの理由から、慎重に見る必要がある。 第一に、「原核生物特異的」ミトコンドリアタンパク質の大部分（Karlbergらによると約半分）は、真核生物やバクテリア、古細菌に対応するものがあります。これらの一部または多くは、すべての生命体の普遍的共通祖先に存在していた可能性が高く、したがって、ミトコンドリア内部共生時に核ゲノムを提供した生物にすでに存在していたと考えることができます。 第二に、酵母の原核生物に特異的な核内ミトコンドリアタンパク質のうち、系統学的再構成に基づいてα-プロテオバクテリアと容易に同定できるのは、ごく少数（38種類）に過ぎない。 第三に、これらのα-プロテオバクテリア遺伝子のうち、1つ以上の特徴的なミトコンドリアゲノムにホモログを持つものは約3分の2（24個）しかないことである。 残りの14個の遺伝子は、「α-プロテオバクテリアから核ゲノムへの古代遺伝子転移の有力な候補」であると主張されている。 しかし、これらの遺伝子のmtDNAにコードされたホモログは現在知られていないので、これらの遺伝子の一部（例えば、ミトコンドリアの熱ショックタンパク質をコードするもの）は、ミトコンドリア内部共生とは別の時期に、横方向の遺伝子移動によって生じたという正式な可能性も存在する． つまり、R. americanaのmtDNAに存在する64個の機能分担タンパク質遺伝子は、厳密に言えば、ミトコンドリア内部共生体から直接派生したものとしか言いようがないのである。

これら 2 つの研究の最も興味深い点は、酵母ミトコンドリアプロテオームの真核生物特有の割合と、「多数の新規ミトコンドリア遺伝子が、細菌祖先からの残りの遺伝子を補完するために核ゲノムから採用された」という意味合いでしょう。 確かに、最初の細胞内共生に続いてミトコンドリアが獲得し、原始ミトコンドリアを統合的な細胞オルガネラに変えるのに役立った機能（TOMおよびTIMタンパク質トランスロカーゼが仲介するタンパク質輸入が有力候補）は存在するはずである。 しかし、これらの分析で行われた類似性検索では、かなり厳しいBLASTカットオフ（E < 10-10 inとE < 10-6 in）が使用されたため、これらの観察を解釈することには、またしても注意が必要である。 これらの検索は「最良のシナリオ」であり、比較的高い配列類似度を保つホモログのみが検出されたであろう。 移植された共生生物遺伝子の多くは、原核生物、ましてやα-proteobacterialと同定するには、配列があまりにも分岐しすぎている可能性がある。 特に酵母は進化的に分化した生物であり、遺伝子の数が劇的に少なく、mtDNAにコードされた遺伝子でさえも同定が容易でない場合がある。 例えば、S. cerevisiae mtDNA のリボソームタンパク質 S3 をコードする遺伝子は、より高度に派生した多くの子嚢菌や下等真菌からの配列を含む高度な多重アラインメントの解析によって、つい最近同定されました。

相同性の推論は、厳しい系統解析と、系統分布が適切で大きな配列のデータベースが必要とされます。 また、ミトコンドリアプロテオームが、真核細胞の形成後に進化した、真に採用された機能をどれだけ表しているかについても、さらなるゲノムデータおよびゲノム比較によって、評価が高まることは間違いありません。 KarlbergらとMarcotteらによって生み出されたデータと洞察は、他の生物のミトコンドリアプロテオームのさらなる詳細な解析を刺激することは間違いないだろう。 なぜ酵母がこれらの最初の探索に選ばれたのかは容易に理解できるが、ミトコンドリアプロテオームの起源に関する疑問を解決するには、他の様々な真核生物からのゲノムデータが非常に必要であることを我々は主張したい。 特に魅力的なのは原生生物で、最小限の由来で遺伝子が豊富なミトコンドリアゲノムは、移されたミトコンドリア遺伝子をより容易かつ確実に同定できる、比較的に祖先の核ゲノムを示すかもしれない

。