Uma vista do núcleo

A disponibilidade de sequências completas para vários genomas nucleares levou a estudos para sondar a origem evolutiva do proteoma mitocondrial: a colecção de proteínas que compõem a mitocôndria e estão envolvidas na biogénese mitocondrial. Em S. cerevisiae, cerca de 423 proteínas (393 especificadas pelo genoma nuclear) foram anotadas como proteínas mitocondriais putativamente codificadoras. Karlberg et al. empregaram pesquisas de similaridade e reconstruções filogenéticas para examinar a filiação evolutiva dessas proteínas. Em um estudo separado, Marcotte et al. usaram uma abordagem genética computacional para atribuir proteínas de levedura a compartimentos subcelulares particulares com base na distribuição filogenética de seus homólogos. Por esta abordagem, Marcotte et al. estimaram que existem cerca de 630 proteínas mitocondriais em leveduras (10% de sua informação codificante).

Embora sejam diferentes em detalhes, ambos os estudos chegam a conclusões gerais semelhantes sobre a origem do proteoma mitocondrial da levedura. Em particular, os dois estudos – que consistem fundamentalmente de pesquisas de similaridade – identificam três categorias de proteínas mitocondriais de levedura (Figura (Figura1):1): prokaryote-specific’ (50-60% do total), ‘eukaryote-specific’ (20-30%) e ‘organism-specific’, ou ‘unique’ (cerca de 20%). As proteínas mitocondriais específicas de procariotas são definidas como aquelas que têm contrapartidas em genomas procarióticos; as proteínas mitocondriais específicas de eucariotas têm contrapartidas em outros genomas eucarióticos, mas não em genomas procarióticos; e as proteínas mitocondriais específicas de organismos são até agora exclusivas de S. cerevisiae. Além disso, ambos os estudos apontam que esta classificação se correlaciona com as funções conhecidas ou inferidas das proteínas de cada categoria: as proteínas mitocondriais específicas do procarióteno desempenham predominantemente papéis na biossíntese, bioenergética e síntese de proteínas, enquanto as proteínas mitocondriais específicas da eucariótese funcionam principalmente como componentes de membrana e na regulação e transporte.

Divisão do proteoma mitocondrial de levedura em diferentes categorias de acordo com a origem evolutiva inferida. As proporções estimadas das proteínas mitocondriais da levedura nas várias classes são tiradas de .

O que fazemos destas observações provocadoras? A presença de uma grande fração de componentes específicos de procariotas no proteoma mitocondrial não é de forma alguma inesperada, dada a origem eubacteriana demonstrada do genoma mitocondrial. Mas embora tenha sido sugerido que os aproximadamente 215 ou 370 genes mitocondriais específicos do procariote fornecem “uma estimativa do número de genes contribuídos pelo genoma mitocondrial ancestral” , este valor deve ser visto com cautela, por três razões. Primeiro, uma grande proporção das proteínas mitocondriais “prokaryote-specific” (cerca de metade de acordo com Karlberg et al. ) tem contrapartidas tanto em eucariotas como em bactérias e arquebactérias; algumas ou mesmo muitas destas poderiam muito bem ter estado presentes no ancestral comum universal de todas as formas de vida e, portanto, já estavam presentes em qualquer organismo que contribuísse com o genoma nuclear na época da endosimbiose mitocondrial. Em segundo lugar, apenas uma minoria (38) das proteínas mitocondriais específicas do procariote, codificadas por núcleo de levedura, pode ser facilmente colocada com o α-proteobactérias, com base na reconstrução filogenética. Em terceiro lugar, apenas cerca de dois terços (24) destes genes α-proteobacterianos têm homólogos em um ou mais genomas mitocondriais caracterizados . Os 14 genes restantes são considerados “fortes candidatos a transferências de genes antigos de α-proteobactérias para genomas nucleares” . No entanto, como não são conhecidos actualmente homólogos destes genes codificados com mtDNA, existe a possibilidade formal de alguns deles (por exemplo, aqueles que codificam proteínas de choque térmico mitocondriais) terem surgido por transferência de genes laterais num momento separado da endosimose mitocondrial. A rigor, só podemos ter a certeza de que os 64 genes codificadores de proteínas de função atribuída no mtDNA da R. americana derivam directamente do endossímbone mitocondrial.

Talvez o aspecto mais intrigante destes dois estudos seja a fração específica da eucariote do proteoma mitocondrial e a implicação que “um grande número de novos genes mitocondriais foram recrutados do genoma nuclear para complementar os genes restantes do ancestral bacteriano” . Certamente, existem funções (sendo uma provável candidata a importação de proteína, mediada pelas translocases da proteína TOM e TIM) que devem ter sido adquiridas pelas mitocôndrias após o evento inicial da endosimose e que foram fundamentais na transformação do proto-mitocôndrio em uma organela celular integrada. Aqui, mais uma vez, entretanto, alguma cautela é necessária na interpretação destas observações, pois cortes BLAST bastante rigorosos (E < 10-10 in e E < 10-6 in ) foram usados nas pesquisas de similaridade conduzidas nestas análises. Essas buscas são, portanto, “cenários de melhor caso”, nos quais apenas homólogos que retêm níveis relativamente altos de similaridade de seqüência teriam sido detectados. Muitos genes de endossímbolos transferidos podem simplesmente ter divergido demasiado em sequência para serem identificados como procarióticos, quanto mais especificamente α-proteobacterial. Isto pode ser particularmente verdadeiro para a levedura, que é um organismo derivado evolutivamente com um conjunto dramaticamente reduzido de genes, e no qual a identificação até mesmo de genes codificados com mtDNA nem sempre é simples. Por exemplo, um gene que codifica a proteína ribossômica S3 em S. cerevisiae mtDNA só foi identificado recentemente através da análise de sofisticados alinhamentos múltiplos que incluíam seqüências de um grande número de ascomicetos menos altamente derivados e fungos mais baixos .

Inferência da homologia requer análises filogenéticas rigorosas e uma grande base de dados de seqüências com uma distribuição filogenética apropriada . Outros dados genómicos e comparações genómicas irão sem dúvida refinar a nossa avaliação de quanto do complemento genético proto-mitocondrial original foi perdido, em vez de ser transferido para o genoma nuclear, e quanto do proteoma mitocondrial representa funções genuinamente recrutadas que evoluíram dentro da célula eucariótica após a sua formação. Os dados e insights gerados por Karlberg et al. e Marcotte et al. certamente estimularão análises adicionais detalhadas do proteoma mitocondrial em outros organismos. Embora seja fácil entender porque a levedura foi o organismo de escolha para estas explorações iniciais, argumentaríamos que precisamos muito de dados genómicos de uma série de outros eukaryotes para abordar questões sobre a origem do proteoma mitocondrial. Particularmente atraentes são aqueles artistas em que um genoma mitocondrial minimamente derivado e rico em genes pode sinalizar um genoma nuclear comparativamente ancestral no qual genes mitocondriais transferidos podem ser mais prontamente e seguramente identificados.