A view from the nucleus

Dostępność kompletnych sekwencji dla kilku genomów jądrowych skłoniła do badań nad ewolucyjnym pochodzeniem proteomu mitochondrialnego: zbioru białek, które tworzą mitochondrium i są zaangażowane w biogenezę mitochondrialną. W S. cerevisiae około 423 białka (393 określone przez genom jądrowy) zostały przypisane jako przypuszczalnie kodujące białka mitochondrialne. Karlberg i wsp. wykorzystali wyszukiwanie podobieństw i rekonstrukcje filogenetyczne do zbadania ewolucyjnej przynależności tych białek. W oddzielnym badaniu Marcotte i wsp. wykorzystali metodę genetyki obliczeniowej do przypisania białek drożdżowych do poszczególnych przedziałów subkomórkowych na podstawie filogenetycznego rozmieszczenia ich homologów. W ten sposób Marcotte i wsp. oszacowali, że istnieje około 630 białek mitochondrialnych w drożdżach (10% ich informacji kodującej).

Chociaż różnią się w szczegółach, oba te badania dochodzą do podobnych ogólnych wniosków na temat pochodzenia mitochondrialnego proteomu drożdży. W szczególności, te dwa badania – które oba składają się zasadniczo z poszukiwań podobieństw – identyfikują trzy kategorie białek mitochondrialnych drożdży (Rysunek (Rysunek1):1): 'prokariota-specyficzne’ (50-60% całości), 'eukariota-specyficzne’ (20-30%) i 'organism-specific’, czyli 'unikalne’ (około 20%). Białka mitochondrialne specyficzne dla prokariotów są zdefiniowane jako te, które mają odpowiedniki w genomach prokariotycznych; białka mitochondrialne specyficzne dla eukariotów mają odpowiedniki w innych genomach eukariotycznych, ale nie w genomach prokariotycznych; a białka mitochondrialne specyficzne dla organizmu to te, które jak dotąd są unikalne dla S. cerevisiae. Ponadto, oba badania wskazują, że ta klasyfikacja koreluje ze znanymi lub wnioskowanymi funkcjami białek w każdej kategorii: białka mitochondrialne specyficzne dla prokariotów przeważnie pełnią role w biosyntezie, bioenergetyce i syntezie białek, podczas gdy białka mitochondrialne specyficzne dla eukariotów funkcjonują głównie jako składniki błon oraz w regulacji i transporcie.

Podział mitochondrialnego proteomu drożdży na różne kategorie w zależności od wnioskowanego pochodzenia ewolucyjnego. Szacowane proporcje białek mitochondrialnych drożdży w różnych klasach pochodzą z .

Co możemy zrobić z tych prowokacyjnych obserwacji? Obecność dużej frakcji składników specyficznych dla prokariotów w proteomie mitochondrialnym nie jest wcale niespodziewana, biorąc pod uwagę wykazane eubakteryjne pochodzenie genomu mitochondrialnego. Ale chociaż sugeruje się, że około 215 lub 370 genów mitochondrialnych drożdży specyficznych dla prokariotów dostarcza „szacunkowej liczby genów wniesionych przez rodowy genom mitochondrialny”, wartość tę należy traktować ostrożnie z trzech powodów. Po pierwsze, duża część „specyficznych dla prokariotów” białek mitochondrialnych (około połowa według Karlberga i in.) ma swoje odpowiedniki u eukariotów, jak również u bakterii i archaidów; niektóre lub nawet wiele z nich mogło zatem być obecnych u uniwersalnego wspólnego przodka wszystkich form życia, a zatem prawdopodobnie były już obecne w jakimkolwiek organizmie, który wniósł genom jądrowy w czasie endosymbiozy mitochondrialnej. Po drugie, tylko mniejszość (38) specyficznych dla prokariotów, kodowanych w jądrze mitochondrialnych białek drożdży może być łatwo przypisana do α-proteobakterii na podstawie rekonstrukcji filogenetycznej. Po trzecie, tylko około dwie trzecie (24) z tych genów α-proteobakterii ma homologi w jednym lub więcej scharakteryzowanych genomach mitochondrialnych. Pozostałe 14 genów uważa się za „silnych kandydatów do starożytnego transferu genów z α-proteobakterii do genomów jądrowych”. Ponieważ jednak obecnie nie są znane żadne homologi tych genów kodowane przez mtDNA, istnieje formalna możliwość, że niektóre z nich (na przykład te kodujące mitochondrialne białka szoku cieplnego) powstały w wyniku bocznego transferu genów w czasie odrębnym od endosymbiozy mitochondrialnej. Ściśle mówiąc, możemy być pewni tylko 64 genów kodujących białka o przypisanej funkcji w mtDNA R. americana jako pochodzących bezpośrednio z endosymbiontu mitochondrialnego.

Prawdopodobnie najbardziej intrygującym aspektem tych dwóch badań jest specyficzna dla eukariotów frakcja mitochondrialnego proteomu drożdży i implikacja, że „duża liczba nowych genów mitochondrialnych została zwerbowana z genomu jądrowego, aby uzupełnić pozostałe geny z bakteryjnego przodka”. Z pewnością istnieją funkcje (jedną z prawdopodobnych kandydatek jest import białek, w którym pośredniczą translokazy białkowe TOM i TIM), które musiały zostać przejęte przez mitochondria po początkowym okresie endosymbiozy i które odegrały zasadniczą rolę w przekształceniu proto-mitochondrium w zintegrowaną organellę komórkową. Również w tym przypadku należy jednak zachować pewną ostrożność w interpretacji tych obserwacji, ponieważ w wyszukiwaniach podobieństwa przeprowadzonych w tych analizach zastosowano dość rygorystyczne wartości odcięcia BLAST (E < 10-10 in i E < 10-6 in ). Są to więc „scenariusze optymalne”, w których wykryto by jedynie homologii zachowujące stosunkowo wysoki poziom podobieństwa sekwencji. Wiele przeniesionych genów endosymbiontów mogło po prostu zbyt daleko odbiegać w sekwencji, by można je było zidentyfikować jako prokariotyczne, a tym bardziej jako specyficznie α-proteobakteryjne. Może to być szczególnie prawdziwe w przypadku drożdży, które są ewolucyjnie pochodnym organizmem z dramatycznie zredukowanym zestawem genów, i w których identyfikacja nawet genów kodowanych przez mtDNA nie zawsze jest prosta. Na przykład, gen kodujący białko rybosomalne S3 w mtDNA S. cerevisiae został zidentyfikowany dopiero niedawno dzięki analizie wyrafinowanych wielokrotnych dopasowań, które obejmowały sekwencje z dużej liczby mniej wysoko pochodnych ascomycetes i niższych grzybów .

Wnioskowanie o homologii wymaga rygorystycznych analiz filogenetycznych i dużej bazy danych sekwencji o odpowiednim rozkładzie filogenetycznym . Dalsze dane genomiczne i porównania genomów bez wątpienia udoskonalą naszą ocenę tego, jak wiele z oryginalnej proto-mitochondrialnej komplementarności genów zostało utraconych, w przeciwieństwie do przeniesienia do genomu jądrowego, i jak wiele mitochondrialnego proteomu reprezentuje autentycznie zrekrutowane funkcje, które ewoluowały w komórce eukariotycznej po jej utworzeniu. Dane i spostrzeżenia uzyskane przez Karlberg i wsp. oraz Marcotte i wsp. z pewnością pobudzą do dalszych szczegółowych analiz proteomu mitochondrialnego u innych organizmów. Chociaż łatwo jest zrozumieć, dlaczego drożdże zostały wybrane do tych wstępnych badań, twierdzimy, że bardzo potrzebujemy danych genomowych z wielu innych eukariontów, aby odpowiedzieć na pytania dotyczące pochodzenia proteomu mitochondrialnego. Szczególnie atrakcyjne są te protisty, u których minimalnie pochodny i bogaty w geny genom mitochondrialny może sygnalizować porównywalnie przodkujący genom jądrowy, w którym przeniesione geny mitochondrialne mogą być łatwiej i pewniej identyfikowane.