En vy från kärnan

Den fullständiga sekvensen för flera kärngenom har lett till att man har undersökt det evolutionära ursprunget eller de evolutionära ursprungskällorna för mitokondriernas proteom, dvs. samlingen av proteiner som ingår i mitokondrierna och som är involverade i mitokondriernas biogenes. I S. cerevisiae har cirka 423 proteiner (393 specificerade av kärngenomet) annoterats som troligen kodar för mitokondriella proteiner . Karlberg et al. använde sig av likhetssökningar och fylogenetiska rekonstruktioner för att undersöka dessa proteiners evolutionära tillhörighet. I en separat studie använde Marcotte et al. en beräkningsgenetisk metod för att tilldela jästproteiner till särskilda subcellulära avdelningar på grundval av den fylogenetiska fördelningen av deras homologer. Med denna metod uppskattade Marcotte et al. att det finns cirka 630 mitokondriella proteiner i jäst (10 % av dess kodningsinformation).

Och även om de skiljer sig åt i detalj kommer båda dessa studier till liknande allmänna slutsatser om ursprunget till jästens mitokondriella proteom. I synnerhet identifierar de två studierna – som båda i grunden består av likhetssökningar – tre kategorier av mitokondriella proteiner från jäst (Figur (Figur1):1): ”prokaryotspecifika” (50-60 % av det totala antalet), ”eukaryotspecifika” (20-30 %) och ”organismspecifika” eller ”unika” (ca 20 %). Prokaryotspecifika mitokondrieproteiner definieras som sådana som har motsvarigheter i prokaryotagenom, eukaryotspecifika mitokondrieproteiner har motsvarigheter i andra eukaryotagenom men inte i prokaryotagenom, och organismspecifika mitokondrieproteiner är sådana som hittills är unika för S. cerevisiae. Dessutom påpekar båda studierna att denna klassificering korrelerar med de kända eller förmodade funktionerna hos proteinerna i varje kategori: prokaryotspecifika mitokondrieproteiner har främst roller i biosyntes, bioenergetik och proteinsyntes, medan eukaryotspecifika mitokondrieproteiner främst fungerar som membrankomponenter och i reglering och transport.

Division av jästens mitokondriella proteom i olika kategorier enligt det evolutionära ursprunget. De uppskattade andelarna av jäst mitokondriella proteiner i de olika klasserna är hämtade från .

Vad gör vi av dessa provocerande observationer? Förekomsten av en stor andel prokaryotspecifika komponenter i mitokondriernas proteom är inte alls oväntad, med tanke på det påvisade eubakteriella ursprunget för mitokondriernas genom. Men även om det har föreslagits att de cirka 215 eller 370 prokaryotspecifika mitokondriella jästgenerna ger ”en uppskattning av antalet gener som det förfäderliga mitokondriella genomet bidragit med” , bör detta värde betraktas med försiktighet av tre skäl. För det första har en stor del av de ”prokaryotspecifika” mitokondrieproteinerna (ungefär hälften enligt Karlberg et al. ) motsvarigheter i eukaryoter såväl som i bakterier och arkéer; några eller till och med många av dessa skulle alltså mycket väl kunna ha funnits i alla livsformers universella gemensamma förfader och därför kunde man tänka sig att de redan fanns i den organism som bidrog med kärngenomet vid tiden för den mitokondriella endosymbiosen. För det andra kan endast en minoritet (38) av de prokaryotspecifika, kärnkodade mitokondrieproteinerna hos jäst lätt placeras hos α-proteobakterierna på grundval av fylogenetisk rekonstruktion . För det tredje har endast omkring två tredjedelar (24) av dessa α-proteobakteriegener homologer i ett eller flera karakteriserade mitokondriella genomer . De återstående 14 generna påstås vara ”starka kandidater för gamla genöverföringar från α-proteobakterier till kärngenom” . Eftersom det för närvarande inte finns några mtDNA-kodade homologer till dessa gener är det dock formellt möjligt att några av dem (t.ex. de som kodar för mitokondriella värmechockproteiner) har uppstått genom lateral genöverföring vid en annan tidpunkt än den mitokondriella endosymbiosen . Strängt taget kan vi bara vara säkra på att de 64 proteinkodande generna med tilldelad funktion i R. americana mtDNA härstammar direkt från den mitokondriella endosymbionten.

Den kanske mest fascinerande aspekten av dessa två studier är den eukaryotspecifika fraktionen av jästens mitokondriella proteom och innebörden att ”ett stort antal nya mitokondriella gener rekryterades från kärngenomet för att komplettera de återstående generna från den bakteriella förfadern” . Det finns säkert funktioner (en trolig kandidat är proteinimport som förmedlas av proteintranslokaserna TOM och TIM) som måste ha förvärvats av mitokondrier efter den första endosymbiosen och som bidrog till att omvandla protomitokondrien till en integrerad cellorganell. Även här är dock viss försiktighet befogad vid tolkningen av dessa observationer, eftersom ganska strikta BLAST-gränsvärden (E < 10-10 in och E < 10-6 in ) användes vid de likhetssökningar som genomfördes i dessa analyser. Dessa sökningar är således ”bästa möjliga scenarier”, där endast homologer med relativt höga nivåer av sekvenslikhet skulle ha upptäckts. Många överförda endosymbiontgener kan helt enkelt ha divergerat för mycket i sekvens för att kunna identifieras som prokaryotiska, än mindre specifikt α-proteobakteriella. Detta kan vara särskilt sant för jäst, som är en evolutionärt härledd organism med en dramatiskt reducerad uppsättning gener, och där identifieringen av även mtDNA-kodade gener inte alltid är okomplicerad . Till exempel identifierades en gen som kodar för ribosomalt protein S3 i S. cerevisiae mtDNA först nyligen genom analys av sofistikerade multipla anpassningar som inkluderade sekvenser från ett stort antal mindre högt härledda ascomyceter och lägre svampar .

För att kunna dra slutsatser om homologi krävs rigorösa fylogenetiska analyser och en stor databas av sekvenser med en lämplig fylogenetisk fördelning . Ytterligare genomiska data och genomjämförelser kommer utan tvekan att förfina vår bedömning av hur mycket av det ursprungliga protomitokondriella genkomplementet som gick förlorat, i motsats till att överföras till kärngenomet, och hur mycket av det mitokondriella proteomet som representerar genuint rekryterade funktioner som utvecklades inom den eukaryota cellen efter dess bildande. De uppgifter och insikter som Karlberg et al. och Marcotte et al. har genererat kommer säkerligen att stimulera till ytterligare detaljerade analyser av det mitokondriella proteomet i andra organismer. Även om det är lätt att förstå varför jäst var den valda organismen för dessa inledande undersökningar, vill vi hävda att vi i hög grad behöver genomiska data från en rad andra eukaryoter för att kunna besvara frågor om det mitokondriella proteomens ursprung. Särskilt tilltalande är de protister där ett minimalt härlett och genrikt mitokondriegenom kan signalera ett jämförelsevis ursprungligt kärngenom där överförda mitokondriegener lättare och säkrare kan identifieras.