Ein Blick aus dem Kern

Die Verfügbarkeit vollständiger Sequenzen für mehrere Kerngenome hat Studien veranlasst, die evolutionären Ursprünge des mitochondrialen Proteoms zu untersuchen: die Sammlung von Proteinen, die das Mitochondrium bilden und an der mitochondrialen Biogenese beteiligt sind. In S. cerevisiae wurden etwa 423 Proteine (393 durch das Kerngenom spezifiziert) als mutmaßlich für mitochondriale Proteine kodierend annotiert. Karlberg et al. untersuchten anhand von Ähnlichkeitssuchen und phylogenetischen Rekonstruktionen die evolutionäre Zugehörigkeit dieser Proteine. In einer anderen Studie verwendeten Marcotte et al. einen computergestützten genetischen Ansatz, um Hefeproteine auf der Grundlage der phylogenetischen Verteilung ihrer Homologe bestimmten subzellulären Kompartimenten zuzuordnen. Mit diesem Ansatz schätzten Marcotte et al., dass es in der Hefe etwa 630 mitochondriale Proteine gibt (10 % der kodierenden Information).

Obwohl sie sich im Detail unterscheiden, kommen beide Studien zu ähnlichen allgemeinen Schlussfolgerungen über den Ursprung des mitochondrialen Proteoms der Hefe. Insbesondere identifizieren die beiden Studien – die beide im Wesentlichen aus Ähnlichkeitssuchen bestehen – drei Kategorien von mitochondrialen Hefeproteinen (Abbildung (Abbildung1):1): „Prokaryoten-spezifisch“ (50-60 % der Gesamtmenge), „Eukaryoten-spezifisch“ (20-30 %) und „Organismus-spezifisch“ oder „einzigartig“ (etwa 20 %). Prokaryoten-spezifische mitochondriale Proteine sind definiert als solche, die Entsprechungen in prokaryotischen Genomen haben; eukaryoten-spezifische mitochondriale Proteine haben Entsprechungen in anderen eukaryotischen Genomen, aber nicht in prokaryotischen Genomen; und organismus-spezifische mitochondriale Proteine sind solche, die bisher nur in S. cerevisiae vorkommen. Darüber hinaus weisen beide Studien darauf hin, dass diese Klassifizierung mit den bekannten oder abgeleiteten Funktionen der Proteine in jeder Kategorie korreliert: Prokaryonten-spezifische mitochondriale Proteine spielen vorwiegend eine Rolle bei der Biosynthese, Bioenergetik und Proteinsynthese, während eukaryonten-spezifische mitochondriale Proteine hauptsächlich als Membrankomponenten und bei der Regulierung und dem Transport funktionieren.

Einteilung des mitochondrialen Proteoms der Hefe in verschiedene Kategorien entsprechend der vermuteten evolutionären Herkunft. Die geschätzten Anteile der mitochondrialen Hefeproteine in den verschiedenen Klassen stammen aus.

Was ist von diesen provokativen Beobachtungen zu halten? Das Vorhandensein eines großen Anteils von Prokaryoten-spezifischen Komponenten im mitochondrialen Proteom ist angesichts des nachgewiesenen eubakteriellen Ursprungs des mitochondrialen Genoms keineswegs unerwartet. Obwohl vorgeschlagen wurde, dass die etwa 215 oder 370 Prokaryoten-spezifischen mitochondrialen Gene der Hefe „eine Schätzung der Anzahl der Gene liefern, die das ursprüngliche mitochondriale Genom beigesteuert hat“, sollte dieser Wert aus drei Gründen mit Vorsicht betrachtet werden. Erstens hat ein großer Teil der „Prokaryoten-spezifischen“ mitochondrialen Proteine (laut Karlberg et al. etwa die Hälfte) Entsprechungen in Eukaryoten sowie in Bakterien und Archaeen; einige oder sogar viele von ihnen könnten also durchaus im universellen gemeinsamen Vorfahren aller Lebensformen vorhanden gewesen sein und waren daher möglicherweise bereits in dem Organismus vorhanden, der zum Zeitpunkt der mitochondrialen Endosymbiose das Kerngenom beisteuerte. Zweitens kann nur eine Minderheit (38) der prokaryotischen, kernkodierten mitochondrialen Proteine der Hefe auf der Grundlage einer phylogenetischen Rekonstruktion ohne weiteres den α-Proteobakterien zugeordnet werden. Drittens haben nur etwa zwei Drittel (24) dieser α-Proteobakterien-Gene Homologe in einem oder mehreren charakterisierten mitochondrialen Genomen. Die verbleibenden 14 Gene werden als „starke Kandidaten für alte Gentransfers von α-Proteobakterien auf Kerngenome“ bezeichnet. Da jedoch derzeit keine mtDNA-kodierten Homologe dieser Gene bekannt sind, besteht die formale Möglichkeit, dass einige von ihnen (z. B. diejenigen, die für mitochondriale Hitzeschockproteine kodieren) durch lateralen Gentransfer zu einem anderen Zeitpunkt als der mitochondrialen Endosymbiose entstanden sind. Streng genommen können wir nur bei den 64 proteinkodierenden Genen mit zugewiesener Funktion in der mtDNA von R. americana sicher sein, dass sie direkt vom mitochondrialen Endosymbionten abstammen.

Der vielleicht faszinierendste Aspekt dieser beiden Studien ist der Eukaryoten-spezifische Anteil des mitochondrialen Proteoms der Hefe und die Schlussfolgerung, dass „eine große Anzahl neuer mitochondrialer Gene aus dem Kerngenom rekrutiert wurde, um die verbleibenden Gene des bakteriellen Vorfahren zu ergänzen“. Sicherlich gibt es Funktionen (ein wahrscheinlicher Kandidat ist der Proteinimport, der durch die TOM- und TIM-Protein-Translokasen vermittelt wird), die von den Mitochondrien nach der ursprünglichen Endosymbiose erworben wurden und die entscheidend dazu beigetragen haben, das Proto-Mitochondrium in eine integrierte Zellorganelle zu verwandeln. Auch hier ist jedoch eine gewisse Vorsicht bei der Interpretation dieser Beobachtungen geboten, da bei den in diesen Analysen durchgeführten Ähnlichkeitssuchen ziemlich strenge BLAST-Cutoffs (E < 10-10 in und E < 10-6 in ) verwendet wurden. Bei diesen Suchen handelt es sich also um „Best-Case-Szenarien“, bei denen nur Homologe mit relativ hoher Sequenzähnlichkeit entdeckt worden wären. Viele übertragene Endosymbionten-Gene könnten einfach zu weit in der Sequenz divergiert sein, um als prokaryotisch, geschweige denn als spezifisch α-proteobakteriell identifiziert zu werden. Dies gilt insbesondere für Hefe, die ein evolutionär abgeleiteter Organismus mit einer drastisch reduzierten Anzahl von Genen ist und bei der die Identifizierung selbst von mtDNA-kodierten Genen nicht immer einfach ist. So wurde beispielsweise ein Gen, das für das ribosomale Protein S3 in der mtDNA von S. cerevisiae kodiert, erst vor kurzem durch die Analyse ausgeklügelter multipler Alignments identifiziert, die Sequenzen aus einer großen Anzahl von weniger stark abgeleiteten Ascomyceten und niederen Pilzen umfassten.

Die Ableitung der Homologie erfordert strenge phylogenetische Analysen und eine große Datenbank mit Sequenzen, die eine angemessene phylogenetische Verteilung aufweisen. Weitere genomische Daten und Genomvergleiche werden zweifellos unsere Einschätzung darüber verfeinern, wie viel des ursprünglichen proto-mitochondrialen Genkomplements verloren ging, anstatt in das Kerngenom übertragen zu werden, und wie viel des mitochondrialen Proteoms tatsächlich rekrutierte Funktionen repräsentiert, die sich innerhalb der eukaryotischen Zelle nach ihrer Entstehung entwickelt haben. Die von Karlberg et al. und Marcotte et al. gewonnenen Daten und Erkenntnisse werden sicherlich weitere detaillierte Analysen des mitochondrialen Proteoms in anderen Organismen anregen. Es ist zwar leicht zu verstehen, warum die Hefe der Organismus der Wahl für diese ersten Untersuchungen war, aber wir sind der Meinung, dass wir unbedingt Genomdaten von einer Reihe anderer Eukaryonten benötigen, um Fragen über den Ursprung des mitochondrialen Proteoms zu beantworten. Besonders interessant sind solche Protisten, bei denen ein minimal abgeleitetes und genreiches mitochondriales Genom auf ein vergleichbar altes Kerngenom hinweisen könnte, in dem übertragene mitochondriale Gene leichter und sicherer identifiziert werden können.