PMC
Een blik vanuit de kern
De beschikbaarheid van complete sequenties voor verschillende nucleaire genomen heeft geleid tot studies om de evolutionaire oorsprong(en) van het mitochondriaal proteoom te onderzoeken: de verzameling eiwitten die de mitochondrion vormen en betrokken zijn bij de mitochondriale biogenese. In S. cerevisiae zijn ongeveer 423 eiwitten (waarvan er 393 door het kerngenoom worden gespecificeerd) geannoteerd als vermoedelijk coderend voor mitochondriale eiwitten. Karlberg et al. onderzochten de evolutionaire verwantschap van deze eiwitten aan de hand van vergelijkingsproeven en fylogenetische reconstructies. In een afzonderlijke studie gebruikten Marcotte et al. een computationele genetische benadering om gistproteïnen aan bepaalde subcellulaire compartimenten toe te wijzen op basis van de fylogenetische verdeling van hun homologe eiwitten. Met deze aanpak schatten Marcotte et al. dat er ongeveer 630 mitochondriale eiwitten in gist zijn (10% van de coderende informatie).
Hoewel de details verschillen, komen beide studies tot vergelijkbare algemene conclusies over de oorsprong van het mitochondriale proteoom van gist. In het bijzonder identificeren de twee studies – die beide fundamenteel uit gelijkenis-zoekopdrachten bestaan – drie categorieën van gist-mitochondriale proteïnen (Figuur (Figuur1):1): “prokaryote-specifiek” (50-60% van het totaal), “eukaryote-specifiek” (20-30%) en “organisme-specifiek”, of “uniek” (ongeveer 20%). Prokaryote-specifieke mitochondriale eiwitten worden gedefinieerd als die welke tegenhangers hebben in prokaryote genomen; eukaryote-specifieke mitochondriale eiwitten hebben tegenhangers in andere eukaryote genomen maar niet in prokaryote genomen; en organisme-specifieke mitochondriale eiwitten zijn die welke tot dusver uniek zijn voor S. cerevisiae. Bovendien wijzen beide studies erop dat deze classificatie correleert met de bekende of afgeleide functies van de eiwitten in elke categorie: prokaryote-specifieke mitochondriale eiwitten spelen voornamelijk een rol in de biosynthese, bio-energetica en eiwitsynthese, terwijl eukaryote-specifieke mitochondriale eiwitten voornamelijk functioneren als membraancomponenten en in de regulering en het transport.
Verdeling van het mitochondriaal proteoom van gist in verschillende categorieën op basis van de afgeleide evolutionaire oorsprong. De geschatte percentages van de mitochondriale eiwitten van gist in de verschillende klassen zijn afkomstig van .
Wat moeten we met deze provocerende waarnemingen? De aanwezigheid van een grote fractie prokaryote-specifieke componenten in het mitochondriale proteoom is helemaal niet onverwacht, gezien de aangetoonde eubacteriële oorsprong van het mitochondriale genoom. Maar hoewel is gesuggereerd dat de ongeveer 215 of 370 prokaryote-specifieke mitochondriale genen van gist “een schatting geven van het aantal genen dat door het voorouderlijke mitochondriale genoom is bijgedragen” , moet deze waarde om drie redenen met de nodige voorzichtigheid worden bekeken. Ten eerste heeft een groot deel van de “prokaryoteigen” mitochondriale eiwitten (ongeveer de helft volgens Karlberg e.a.) tegenhangers in eukaryoten, bacteriën en archaea; sommige of zelfs vele daarvan kunnen dus aanwezig zijn geweest in de universele gemeenschappelijke voorouder van alle levensvormen en waren dus mogelijk reeds aanwezig in welk organisme dan ook dat het nucleaire genoom heeft bijgedragen op het ogenblik van de mitochondriale endosymbiose. Ten tweede kan slechts een minderheid (38) van de prokaryote-specifieke, nucleus-gecodeerde mitochondriale eiwitten van gist op basis van fylogenetische reconstructie gemakkelijk bij de α-proteobacteria worden geplaatst. Ten derde heeft slechts ongeveer twee derde (24) van deze α-proteobacteriële genen homologe genen in een of meer gekarakteriseerde mitochondriale genomen. Van de overige 14 genen wordt beweerd dat zij “sterke kandidaten zijn voor oude genoverdrachten van α-proteobacteriën naar nucleaire genomen” . Omdat er momenteel geen mtDNA-gecodeerde homologs van deze genen bekend zijn, bestaat echter de formele mogelijkheid dat sommige van deze genen (bijvoorbeeld de genen die coderen voor mitochondriale heat-shock-eiwitten) zijn ontstaan door laterale genoverdracht op een ander tijdstip dan de mitochondriale endosymbiose . Strikt genomen kunnen we er alleen zeker van zijn dat de 64 eiwitcoderende genen met een toegewezen functie in het mtDNA van R. americana rechtstreeks afkomstig zijn van de mitochondriale endosymbiont.
Het meest intrigerende aspect van deze twee studies is misschien wel de eukaryote-specifieke fractie van het mitochondriale proteoom van gist en de implicatie dat “een groot aantal nieuwe mitochondriale genen uit het kerngenoom werd gerecruteerd om de resterende genen van de bacteriële voorouder aan te vullen” . Zeker, er zijn functies (een waarschijnlijke kandidaat is de import van eiwitten, gemedieerd door de TOM en TIM translocases) die door de mitochondriën moeten zijn verworven na de initiële endosymbiose en die een rol hebben gespeeld bij de transformatie van het proto-mitochondrium tot een geïntegreerd celorgel. Maar ook hier is enige voorzichtigheid geboden bij de interpretatie van deze waarnemingen, omdat vrij stringente BLAST cutoffs (E < 10-10 in en E < 10-6 in ) werden gebruikt bij de in deze analyses uitgevoerde zoekacties naar overeenkomsten. Deze opzoekingen zijn dus “best-case scenario’s”, waarin alleen homologe organismen met relatief hoge sequentie-gelijkenissen zouden zijn opgespoord. Veel overgedragen endosymbiontgenen kunnen gewoon te ver in sequentie gedivergeerd zijn om als prokaryotisch geïdentificeerd te kunnen worden, laat staan als specifiek α-proteobacterieel. Dit geldt met name voor gist, een evolutionair afgeleid organisme met een sterk gereduceerd aantal genen, waarin de identificatie van zelfs mtDNA-gecodeerde genen niet altijd eenvoudig is. Bijvoorbeeld, een gen dat codeert voor ribosomaal proteïne S3 in het mtDNA van S. cerevisiae werd pas onlangs geïdentificeerd door de analyse van verfijnde meervoudige alignementen die sequenties omvatten van een groot aantal minder sterk afgeleide ascomyceten en lagere fungi.
Voor het vaststellen van homologie zijn rigoureuze fylogenetische analyses en een grote database van sequenties met een passende fylogenetische verdeling nodig. Verdere genomische gegevens en genoomvergelijkingen zullen ongetwijfeld onze beoordeling verfijnen van hoeveel van het oorspronkelijke proto-mitochondriale genencomplex verloren is gegaan, in tegenstelling tot overbrenging naar het nucleaire genoom, en hoeveel van het mitochondriale proteoom werkelijk gerekruteerde functies vertegenwoordigt die binnen de eukaryote cel zijn geëvolueerd na de vorming ervan. De gegevens en inzichten van Karlberg et al. en Marcotte et al. zullen zeker aanvullende gedetailleerde analyse van het mitochondriale proteoom in andere organismen stimuleren. Hoewel het gemakkelijk te begrijpen is waarom gist het organisme bij uitstek was voor deze eerste verkenningen, zijn wij van mening dat we genomische gegevens van een reeks andere eukaryoten nodig hebben om vragen over de oorsprong van het mitochondriale proteoom te kunnen beantwoorden. Bijzonder aantrekkelijk zijn die protisten waarin een minimaal afgeleid en gen-rijk mitochondriaal genoom kan wijzen op een vergelijkbaar voorouderlijk nucleair genoom waarin overgedragen mitochondriale genen gemakkelijker en met meer vertrouwen kunnen worden geïdentificeerd.