Un punct de vedere dinspre nucleu

Disponibilitatea secvențelor complete pentru mai multe genomuri nucleare a determinat studii de sondare a originii evolutive a proteomului mitocondrial: colecția de proteine care alcătuiesc mitocondriile și care sunt implicate în biogeneza mitocondrială. În S. cerevisiae, aproximativ 423 de proteine (393 specificate de genomul nuclear) au fost adnotate ca putând codifica proteine mitocondriale . Karlberg et al. au folosit căutări de similaritate și reconstrucții filogenetice pentru a examina apartenența evolutivă a acestor proteine. Într-un studiu separat, Marcotte et al. au utilizat o abordare genetică computațională pentru a atribui proteinele de drojdie la anumite compartimente subcelulare pe baza distribuției filogenetice a omologilor lor. Prin această abordare, Marcotte et al. au estimat că există aproximativ 630 de proteine mitocondriale în drojdie (10% din informația codantă a acesteia).

Deși diferă în detalii, ambele studii ajung la concluzii generale similare cu privire la originea proteomului mitocondrial al drojdiei. În special, cele două studii – care ambele constau în mod fundamental din căutări de similaritate – identifică trei categorii de proteine mitocondriale de drojdie (Figura (Figura1):1): „specifice procariotelor” (50-60% din total), „specifice eucariotelor” (20-30%) și „specifice organismului”, sau „unice” (aproximativ 20%). Proteinele mitocondriale specifice procariotelor sunt definite ca fiind cele care au corespondenți în genomurile procariote; proteinele mitocondriale specifice eucariotelor au corespondenți în alte genomuri eucariote, dar nu și în genomurile procariote; iar proteinele mitocondriale specifice organismului sunt cele care, până în prezent, sunt unice pentru S. cerevisiae. În plus, ambele studii subliniază faptul că această clasificare se corelează cu funcțiile cunoscute sau deduse ale proteinelor din fiecare categorie: proteinele mitocondriale specifice procariotelor îndeplinesc predominant roluri în biosinteză, bioenergetică și sinteza proteinelor, în timp ce proteinele mitocondriale specifice eucariotelor funcționează în principal ca și componente ale membranei și în reglare și transport.

Divizarea proteomului mitocondrial al drojdiei în diferite categorii în funcție de originea evolutivă dedusă. Proporțiile estimate ale proteinelor mitocondriale de drojdie în diferitele clase sunt preluate din .

Ce facem cu aceste observații provocatoare? Prezența unei fracțiuni mari de componente specifice procariotelor în proteomul mitocondrial nu este deloc neașteptată, având în vedere originea eubacteriană demonstrată a genomului mitocondrial. Dar, deși s-a sugerat că cele aproximativ 215 sau 370 de gene mitocondriale de drojdie specifice procariotelor oferă „o estimare a numărului de gene la care a contribuit genomul mitocondrial ancestral” , această valoare ar trebui privită cu prudență, din trei motive. În primul rând, o mare parte din proteinele mitocondriale „specifice procariotelor” (aproximativ jumătate, conform lui Karlberg et al. ) au omologi la eucariote, precum și la bacterii și archaea; astfel, unele sau chiar multe dintre acestea ar fi putut fi prezente în strămoșul comun universal al tuturor formelor de viață și, prin urmare, este posibil să fi fost deja prezente în orice organism care a contribuit cu genomul nuclear la momentul endosimbiozei mitocondriale. În al doilea rând, doar o minoritate (38) dintre proteinele mitocondriale ale drojdiei, specifice procariotelor și codificate în nucleu, pot fi ușor de plasat cu α-proteobacteriile pe baza reconstrucției filogenetice. În al treilea rând, doar aproximativ două treimi (24) din aceste gene α-proteobacteriene au omologi în unul sau mai multe genomuri mitocondriale caracterizate . Cele 14 gene rămase sunt considerate a fi „candidați puternici pentru transferuri genetice antice de la α-proteobacterii la genomurile nucleare” . Cu toate acestea, deoarece în prezent nu se cunoaște niciun omolog al acestor gene codificat de ADNmt, există posibilitatea formală ca unele dintre ele (de exemplu, cele care codifică proteinele șocurilor termice mitocondriale) să fi apărut prin transfer lateral de gene la un moment diferit de endosimbioza mitocondrială . Strict vorbind, putem fi siguri doar că cele 64 de gene codificatoare de proteine cu funcție atribuită din ADNmt din R. americana derivă direct din endosimbiontul mitocondrial.

Poate cel mai intrigant aspect al acestor două studii este fracțiunea specifică eucariotelor din proteomul mitocondrial al drojdiei și implicația că „un număr mare de gene mitocondriale noi au fost recrutate din genomul nuclear pentru a completa genele rămase de la strămoșul bacterian” . Cu siguranță, există funcții (o candidată probabilă fiind importul de proteine, mediat de translocazele proteice TOM și TIM) care trebuie să fi fost dobândite de mitocondrii ulterior evenimentului inițial de endosimbioză și care au avut un rol esențial în transformarea proto-mitocondriului într-un organit celular integrat. Cu toate acestea, și în acest caz, este necesară o anumită prudență în interpretarea acestor observații, deoarece în căutările de similaritate efectuate în cadrul acestor analize au fost utilizate praguri BLAST destul de stricte (E < 10-10 in și E < 10-6 in ). Aceste căutări reprezintă, prin urmare, „cele mai bune scenarii”, în care ar fi fost detectați numai omologii care păstrează niveluri relativ ridicate de similaritate de secvență. Este posibil ca multe gene endosimbionte transferate să fi avut pur și simplu o divergență prea mare în ceea ce privește secvența pentru a fi identificate ca fiind procariote, cu atât mai puțin ca fiind specific α-proteobacteriene. Acest lucru poate fi valabil în special pentru drojdie, care este un organism derivat din punct de vedere evolutiv, cu un set de gene extrem de redus și în care identificarea chiar și a genelor codificate de mtADN nu este întotdeauna simplă . De exemplu, o genă care codifică proteina ribosomală S3 din mtADN-ul S. cerevisiae a fost identificată doar recent prin analiza unor alinieri multiple sofisticate care au inclus secvențe de la un număr mare de ascomicete și ciuperci inferioare mai puțin derivate .

Inferența de homologie necesită analize filogenetice riguroase și o bază de date mare de secvențe cu o distribuție filogenetică adecvată . Alte date genomice și comparații genomice vor rafina, fără îndoială, evaluarea noastră cu privire la cât de mult din complementul inițial de gene protomitocondriale a fost pierdut, spre deosebire de a fi transferat în genomul nuclear, și cât de mult din proteomul mitocondrial reprezintă funcții cu adevărat recrutate care au evoluat în cadrul celulei eucariote după formarea acesteia. Datele și perspectivele generate de Karlberg et al. și Marcotte et al. vor stimula cu siguranță o analiză detaliată suplimentară a proteomului mitocondrial la alte organisme. Deși este ușor de înțeles de ce drojdia a fost organismul ales pentru aceste explorări inițiale, noi am susține că avem mare nevoie de date genomice de la o serie de alte eucariote pentru a răspunde la întrebările privind originea proteomului mitocondrial. Deosebit de atrăgători sunt acei protiști la care un genom mitocondrial minim derivat și bogat în gene poate semnala un genom nuclear comparabil de ancestral în care genele mitocondriale transferate pot fi identificate mai ușor și cu mai multă încredere.

.