Tom 58 2009
Numer 3 4 (284 285)
Strony 547 554
Paweł Golik
Instytut Genetyki i Biotechnologii,
Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski
Pawińskiego 5A, 02-106 Warszawa
Instytut Biochemii i Biofizyki PAN
Pawińskiego 5A, 02-106 Warszawa
E-mail: [e-mail]
POCHODZENIE I EWOLUCJA GENOMU MITOCHONDRIALNEGO
POWSTANIE KOMÓREK EUKARIOTYCZNYCH A EWOLUCJA MITOCHONDRIÓW
Powstanie komórek eukariotycznych było czytywania informacji. Musi jednak istnieć
jednym z najważniejszych przełomów ewo- mechanizm ewolucyjny pozwalający na prze-
lucyjnych w dziejach życia na Ziemi. Trudno kroczenie tej bariery i osiągnięcie kolejnego,
jest dokładnie wskazać, kiedy mogło to nastą- wyższego poziomu złożoności. Jedną z możli-
pić  wiadomo, że najstarsze skamieniałości wych dróg jest wytwarzanie złożoności przez
sugerujące eukariotyczną organizację komó- fuzję systemów niższego poziomu. Mecha-
rek mają około 1,5 miliarda lat, a pierwsze eu- nizm taki został zaproponowany dla najwcze-
karionty mogły pojawić się już 2 miliardy lat śniejszej fazy ewolucji prebiotycznej w świe-
temu. Odtworzenie przebiegu procesów, któ- cie RNA  tzw. koncepcja hipercykli Eigena.
re zachodziły tak dawno temu jest niezwykle Według tej teorii, pierwotne replikatory RNA,
trudne; najcenniejszych przesłanek bez wąt- których złożoność była silnie ograniczona
pienia dostarczyć może analiza współczesnych przez niską dokładność mechanizmu powie-
organizmów żywych i ich genomów. lania informacji, łączyły się we współzależne
Komórki eukariontów są bardziej skom- sieci wyższego rzędu (zwane hipercyklami).
plikowane od prokariotycznych  zawierają Współdziałanie większej liczby niezależnych
szereg oddzielonych systemem błon kompart- początkowo replikatorów pozwoliło na po-
mentów (organelli), wśród których wyróżnia- konanie bariery zawartości informacyjnej po-
ją się mitochondria i chloroplasty. Struktura jedynczego systemu (patrz artykuł weinera
tych dwóch typów organelli swym poziomem w tym zeszycie KOSMOSU).
złożoności przypomina proste komórki pro- Motyw współdziałania niezależnych syste-
kariotyczne, w szczególności posiadają one mów pojawia się również w koncepcji endo-
własny, niezależny od jądrowego materiał ge- symbiontycznego pochodzenia struktury ko-
netyczny w postaci genomu zbudowanego z mórki eukariotycznej, w swej współczesnej
DNA. To właśnie odkrycie genomów organel- wersji sformułowanej przez Lynn Margulis
larnych i analiza ich sekwencji dało impuls do (MarGulis 1970). Teoria ta, w uproszczeniu
stworzenia współczesnych teorii dotyczących zakłada, że współczesne komórki eukariotycz-
pochodzenia komórek eukariotycznych. ne powstały przez fuzję pierwotnej komórki,
Problem ten można rozpatrywać w kon- pochodzącej najprawdopodobniej od Archa-
tekście ogólniejszego pytania, dotyczącego ea, z komórkami z linii Bacteria, które dały
drogi, na której proces ewolucji prowadzi początek mitochondriom i plastydom. Odkąd
do wzrostu złożoności. Każdy system biolo- dzięki postępowi technik sekwencjonowania
giczny ma bowiem określony poziom inhe- DNA poznajemy sekwencje coraz większej
rentnej złożoności, ograniczonej zasadniczo liczby genomów przedstawicieli różnych linii
jego możliwościami przechowywania i od- ewolucyjnych, teoria endosymbiontycznego
Paweł Golik
548
pochodzenia mitochondriów (a także chloro- i obecnie pozbawiona jest realistycznej alter-
plastów) zyskuje coraz mocniejsze wsparcie, natywy.
PRZODKOWIE MITOCHONDRIÓW I SCENARIUSZE ENDOSYMBIOZY
Przodkiem mitochondriów był organizm dukcji. Pojawiły się zatem koncepcje sugeru-
należący do tej samej linii, do której należą jące, że do powstania komórek eukariotycz-
współczesne ą-proteobakterie, podczas gdy nych mogła wystarczyć pojedyncza symbioza,
w powstaniu genomu jądrowego uczestni- a dalszy wzrost złożoności odbywał się już
czył organizm z linii Archaea. Mimo dostęp- przez stopniową ewolucję. Dostępne nam
ności coraz pełniejszych danych genomicz- dane nie pozwalają jednoznacznie rozstrzy-
nych i rozwoju coraz doskonalszych metod gnąć tego problemu, ponadto analizę filoge-
odtwarzania filogenezy, scenariusz powstania netyczną najdawniejszych rozgałęzień drzewa
pierwszych komórek eukariotycznych wciąż organizmów utrudnia fakt, że we wczesnych
kryje wiele tajemnic. Do niedawna uważano, etapach ewolucji często dochodziło do hory-
że eukariogeneza przebiegała w kilku eta- zontalnej wymiany genów między organizma-
pach, z których każdy wiązał się ze zdarze- mi różnych linii (wciąż częstej u bakterii)
niem typu endosymbiotycznego (tzw. teoria  drzewa poszczególnych genów nie muszą
seryjnej endosymbiozy). W myśl tej koncep- zatem odzwierciedlać historii całych geno-
cji, najpierw powstały komórki o organizacji mów.
typowej dla eukariontów  posiadające jądro, Innym interesującym zagadnieniem (patrz
siateczkę śródplazmatyczną i pozostałe, ty- prace przeglądowe kurland i andersson
powe dla tej grupy struktury  pozbawione 2000 oraz eMbley i Martin 2006) jest to, jak
jednak mitochondriów. Dopiero w kolejnym wyglądał metabolizm organizmów, których
etapie taki pozbawiony mitochondriów, bez- endosymbioza doprowadziła do powstania
tlenowy przodek eukariontów związał się z posiadających mitochondria eukariontów, a
oddychającą tlenowo bakterią, która dała po- zwłaszcza, jakie korzyści związek ten począt-
czątek mitochondriom. Przesłanką sugerującą kowo niósł dla obu partnerów. Jedną z głów-
taki właśnie przebieg zdarzeń miałoby być nych funkcji współczesnych mitochondriów
istnienie współczesnych, zaliczanych do Pro- jest wytwarzanie energii w drodze fosfory-
tista, organizmów eukariotycznych pozbawio- lacji oksydacyjnej (OXPHOS), trudno jednak
nych mitochondriów i peroksysomów, pro- wyobrazić sobie, że funkcja ta była istotna
wadzących całkowicie beztlenowy tryb życia. dla przodków eukariontów, żyjących wciąż w
Organizmy te, zwane Archezoa, miałyby być atmosferze zasadniczo beztlenowej. Ponadto
zatem potomkami pierwotnych eukariontów do funkcjonowania fosforylacji oksydacyjnej
sprzed zajścia symbiozy mitochondrialnej. konieczne jest złożone współdziałanie mito-
Wyniki najnowszych badań (patrz prace chondriów z resztą komórki, np. transport
przeglądowe lanG i współaut. 1999, kur- ATP/ADP, a na wyewoluowanie tych mecha-
land i andersson 2000 oraz eMbley i Martin nizmów potrzebny był czas. Współczesne
2006) mocno jednak zachwiały tą koncepcją. koncepcje endosymbiozy zakładają raczej, że
U Archezoa odkryto bowiem organella przy- podstawą związku przodków eukariontów z
pominające strukturą i niektórymi aspekta- przodkami mitochondriów mógł być wodór
mi metabolizmu bardzo zredukowane mito-  według sformułowanej w 1998 r. tzw. hi-
chondria (tzw. hydrogenosomy i mitosomy). potezy wodorowej (Martin i Müller 1998),
Poza tym, w genomach Archezoa odnalezio- heterotroficzny endosymbiont wytwarzał
no geny pochodzące ewidentnie z linii Bac- wodór jako produkt metabolizmu, natomiast
teria, a nie Archaea, co może sugerować ich dla chemoautotroficznego gospodarza wo-
pochodzenie od eubakteryjnego endosym- dór stanowił z
ródło energii. Inna hipoteza
bionta, zwłaszcza że chodzi tu o geny kodu- zakłada, że endosymbiont od początku wy-
jące białka, należące do grup białek szoku korzystywał tlen, który dla komórek gospo-
cieplnego, które u pozostałych eukariontów darza był toksyczny, podobnie jak dla wielu
funkcjonują w mitochondriach. Wydaje się współczesnych mikroorganizmów beztleno-
więc, że współczesne pozbawione mitochon- wych. Endosymbiont usuwając toksyczny dla
driów organizmy eukariotyczne pochodzą gospodarza tlen umożliwiał mu przeżycie w
od przodków, którzy mitochondria posiadali, środowiskach częściowo utlenionych, które
lecz w toku ewolucji uległy one znacznej re- zaczynały pojawiać się na Ziemi. Oczywiście
Pochodzenie i ewolucja genomu mitochondrialnego
549
oba te mechanizmy mogły mieć znaczenie na silnie zredukowanych hydrogenosomach i
różnych etapach ewolucji eukariontów. mitosomach (eMbley i Martin 2006). Jest to
W tym momencie warto sobie zadać pyta- zatem przypuszczalnie bardzo stara ewolucyj-
nie, która z licznych funkcji mitochondriów nie funkcja mitochondriów, starsza niż oddy-
jest najbardziej kluczowa dla komórki. Wia- chanie komórkowe obecnie najczęściej koja-
domo, że wiele organizmów (np. niektóre rzone z tymi organellami.
drożdże i Protista) może obywać się bez od- Dopiero póz
niej nastąpiło przejście gospo-
dychania tlenowego, a nawet komórki ssa- darza na heterotrofię i uzależnienie symbion-
ków pozbawione DNA mitochondrialnego ta od dostarczanych przez niego związków
można utrzymać w hodowli, mimo całkowi- organicznych. Symbiont stał się mitochon-
tej dysfunkcji fosforylacji oksydacyjnej. Żad- drium, a zależność została przypieczętowana
na komórka eukariotyczna nie jest jednak utratą niezależności symbionta, związaną z
w stanie przeżyć bez mitochondriów, lub redukcją jego genomu. Jak już wspomniano
przynajmniej (jak w przypadku Archezoa) wcześniej, niektórzy badacze uważają też, że
ich odpowiedników. Z badań prowadzonych niezależnie od endosymbiozy prowadzącej
głównie na drożdżach S. cerevisiae wynika, do powstania mitochondriów, wcześniej za-
że jedną z niezbędnych dla życia funkcji mi- szła endosymbioza komórki pochodzącej z
tochondriów jest synteza centrów żelazowo- linii Archaea z komórką linii Bacteria, która
siarczkowych (Fe-S), które stanowią kofakto- dała początek systemowi jądra i błon siatecz-
ry wielu kluczowych enzymów w komórce ki. W myśl tej koncepcji gospodarz, który
(lill i współaut 2005). Co ciekawe, proces przyjął przodka mitochondriów sam był już
ten u pozbawionych w pełni funkcjonalnych wynikiem wcześniejszego procesu endosym-
mitochondriów Archezoa wciąż zachodzi w biotycznego.
DEGENERATYWNA EWOLUCJA GENOMU MITOCHONDRIALNEGO
Niezależnie od tego, który ze scenariuszy jądra (patrz praca przeglądowa kurland i
endosymbiotycznej eukariogenezy jest praw- andersson 2000). Ewolucja miała więc tutaj
dziwy, pochodzenie mitochondriów od en- przebieg degeneratywny, redukujący autono-
dosymbiotycznych ą-proteobakterii wydaje mię organellum. Przykładem wcześniejszego
się dobrze ugruntowane. Genom mitochon- stadium takiej ewolucji może być genom Ric-
drialny byłby w myśl tej koncepcji resztką kettsia prowazekii, wewnątrzkomórkowego
genomu symbionta. Analizy sekwencji, głów- pasożyta z grupy ą-proteobakterii (anders-
nie rRNA, umieszczają genomy mitochon- son i kurland 1998, andersson i współaut
drialne na jednej gałęzi drzewa filogenetycz- 1998). Utracił on częściowo autonomię, za-
nego, co sugeruje ich monofiletyzm. Badania chowując jedynie około 900 genów, praw-
te wskazują, że najbliższymi mitochondriom dopodobnie około połowy wyjściowej liczby.
współczesnymi bakteriami jest grupa ą-pro- Co ciekawe, zachowały się w nim wszystkie
teobakterii obejmująca wewnątrzkomórkowe geny odpowiadające za procesy oddychania
pasożyty eukariontów takie, jak Rickettsia, tlenowego, takie jak geny białek z komplek-
Ehrlichia i Anaplasma. Interesujące w tym sów łańcucha oddechowego, enzymów cyklu
kontekście jest częste wśród ą-proteobak- kwasów trójkarboksylowych itp. Rickettsia
terii występowanie zjawisk endosymbiozy i straciła jednak wszystkie geny kodujące en-
endopasożytnictwa (np. Agrobacterium, Rhi- zymy wcześniejszych, beztlenowych etapów
zobium, Rickettsia). Oczywiście pamiętać katabolizmu związków organicznych, np.
należy, że współczesne endopasożytnicze lub glikolizy, a także geny, których produkty od-
endosymbiontyczne ą-proteobakterie nie są powiadają za procesy syntezy aminokwasów
przodkami mitochondriów, dzielą jednak z i nukleotydów. Pasożytnictwo wewnątrzko-
nimi wspólnego przodka, który musiał być mórkowe upodobniło ją zatem z metabolicz-
szczególnie predestynowany do wchodzenia nego i genetycznego punktu widzenia do
w ścisłe relacje z komórkami innych organi- mitochondrium. Można spekulować, że po-
zmów. dobnie mogły wyglądać najwcześniejsze eta-
Zawiązanie się trwałego związku endo- py procesu prowadzącego do powstania mi-
symbiontycznego między mitochondriami a tochondriów, choć w przypadku typowego
ich gospodarzami pociągnęło za sobą reduk- pasożyta, jakim jest Rickettsia nie doszło do
cję genomu symbionta i transfer genów do przeniesienia genów do genomu gospodarza.
Paweł Golik
550
U współczesnych eukariontów, mimo adaptacyjnie efekcie są statystycznie znacznie
ogromnej różnorodności organizacji ich ge- częstsze od mutacji korzystnych. W dużych
nomów mitochondrialnych, liczba zacho- populacjach nagromadzanie się niekorzyst-
wanych w nich genów jest bardzo nieduża. nych mutacji jest równoważone przez dobór
Większość genomów mitochondrialnych za- naturalny i wytwarza się równowaga. Przy re-
wiera około kilkudziesięciu genów, z czego dukcji liczebności ( wąskie gardło populacyj-
kilkanaście zaledwie koduje białka. Wyjątkową ne) na skutek fluktuacji może zdarzyć się, że
pozycję ma tutaj genom mitochondrialny Rec- w określonym momencie wszystkie osobniki
linomonas americana, dosyć prymitywnego, będą obciążone mutacją. Przy braku rekom-
słodkowodnego heterotroficznego wiciowca binacji (która pozwoliłaby na odtworzenie
(lanG i współaut 1997). Spośród wszystkich  prawidłowego allelu z dwóch różnych alleli
znanych genomów mitochondrialnych zacho- zmutowanych) takie obniżenie wartości przy-
wał on najwięcej cech genomu eubakteryjne- stosowawczej populacji będzie nieodwracalne,
go. Zawiera największą liczbę genów  97. gdyż mutacje powrotne są dużo mniej częste.
Są wśród nich wszystkie geny występujące w Na tym polega nieodwracalność mechanizmu
mtDNA innych organizmów a ponadto kilka- zapadkowego  obciążenie populacji mutacja-
naście genów nie występujących w żadnych mi nieuchronnie będzie wzrastać.
innych genomach mitochondrialnych. SÄ… to, Efekty dziaÅ‚ania zapadki Müllera obserwu-
między innymi, geny wielopodjednostkowej je się w wielu przypadkach populacji endopa-
polimerazy RNA typu eubakteryjnego, nie sożytów, np. wirusów. Wyraz
ne też są ślady
przypominającej polimeraz mitochondrial- działania tego mechanizmu w genomie Ricket-
nych innych organizmów, a także liczne geny tsia prowazekii. Geny, których produkty nie
białek rybosomalnych. Mitochondria R. ameri- są niezbędne dla funkcjonowania tej bakterii
cana zachowały standardowy kod genetyczny, zostały utracone, część zanikła całkowicie, a
oraz niespotykane w innych mitochondriach, niektóre pozostawiły w DNA bakterii ślady w
a charakterystyczne dla bakterii oddziaływanie postaci rozpoznawalnych pseudogenów. Gen
rRNA z mRNA typu Shine-Dalgarno podczas metK jest przykładem początkowych faz tego
inicjowania translacji. Ponadto widoczne sÄ… procesu  pewne szczepy Rickettsia posiadajÄ…
ślady organizacji operonowej, z zachowanymi jego funkcjonalny allel, w innych zawiera on
u różnych bakterii grupami genów. już mutacje uniemożliwiające ekspresję. Zanik
Porównanie genomów wewnątrzkomór- tego genu dopiero się rozpoczął.
kowego pasożyta o zbliżonym do mitochon- Genomy mitochondrialne stanowią końco-
drialnego metabolizmie (Rickettsia), pierwot- wy etap reduktywnej ewolucji, w której jed-
nego genomu mitochondrialnego o wyraz
- nym z głównych mechanizmów jest omówiona
nych cechach bakteryjnych (Reclinomonas) powyżej zapadka Müllera. Endosymbioza, która
oraz współczesnych, silnie zredukowanych dała początek mitochondriom, była pierwszym
genomów mitochondrialnych wykazuje więc, i najważniejszym etapem znacznego zawężenia
że ewolucja mtDNA przebiegała drogą po- populacji endosymbionta. Wszystkie dzisiejsze
stępującej redukcji zawartości informacyj- eukarionty są pod względem mitochondrial-
nej, upraszczania systemów regulacyjnych nym monofiletyczne, a zatem powstały w wy-
(zwłaszcza na poziomie transkrypcyjnym) niku jednej skutecznej endosymbiozy, która
oraz pojawiania się odstępstw od powszech- dała im przewagę selekcyjną. Kolejne genera-
nych mechanizmów genetycznych (np. zmie- cje genomów organellarnych ewoluowały już
nionego kodu genetycznego). w warunkach względnej izolacji i utrudnionej
Głównym mechanizmem odpowiedzial- wymiany materiału genetycznego, co sprzyjało
nym za tendencję do utraty zawartości infor- utracie informacji genetycznej spowodowanej
macyjnej genomu mitochondrialnego jest tzw. dziaÅ‚aniem zapadki Müllera (andersson i kur-
 zapadka Müllera (rola tego mechanizmu w land 1998). U wielu, chociaż nie wszystkich,
ewolucji genomów organellarnych oraz geno- współczesnych eukariontów mitochondria są
mów pasożytów wewnątrzkomórkowych jest zasadniczo aseksualne, ponieważ dziedziczo-
omówiona w pracy przeglądowej andersson i ne są tylko od jednego z rodziców. Mimo, że
kurland 1998). Jest to mechanizm działający u grzybów i roślin stwierdzono rekombina-
na populacje o niskiej liczebności i pozbawio- cję mtDNA, a najprawdopodobniej występuje
ne mechanizmów rekombinacji, polegający na ona też w mitochondriach zwierząt, to przez
nagromadzaniu w nich niekorzystnych mu- większą część trwania mitochondria tworzą
tacji, czyli nieodwracalnej degeneracji infor- małe, odizolowane i jednorodne genetycznie
macji genetycznej. Mutacje o niekorzystnym populacje. U współczesnych Eukaryota proces
Pochodzenie i ewolucja genomu mitochondrialnego
551
degeneracji genomu mitochondrialnego wyda- cowej części niniejszego artykułu omówiono
je się być zatrzymany, w czym znaczącą rolę też różne hipotezy próbujące wytłumaczyć to,
musi odgrywać dobór naturalny, działający na dlaczego genom mitochondriów nie zaniknął
organizmy gospodarzy, którym mitochondria całkowicie, przenosząc resztkę kodowanej in-
zapewniają niezbędną do życia funkcję. W koń- formacji do genomu gospodarza.
POCHODZENIE I EWOLUCJA PROTEOMU MITOCHONDRIÓW
Utrata informacji zakodowanej w ge- ca enzym znany u bakterii, kodowana przez
nomie mitochondriów pociągnęła za sobą genom mitochondrialny. Tymczasem u prak-
przejęcie większości jego funkcji przez ge- tycznie wszystkich znanych eukariontów
nom jądrowy. W proteomie mitochondriów, funkcję tę pełni enzym kodowany w jądrze,
liczącym od około 600 (drożdże) do prawie którego sekwencja przypomina polimerazy
dwóch tysięcy (ssaki) białek, jedynie kilkana- RNA bakteriofagów z grupy T (zwłaszcza
ście (maksymalnie 67 u R. americana) białek T7 i T3). W toku ewolucji doszło zatem do
kodowanych jest przez genom tego organel- zastÄ…pienia funkcji kodowanej przez genom
lum. Ich ewolucyjna historia jest dosyć zło- mitochondrialny przez białko pochodzenia
żona (patrz artykuły przeglądowe kurland i wirusowego. W tym kontekście niezwykle
andersson 2000, burGer i współaut. 2003). ciekawym przypadkiem są mitochondria
Część stanowią geny pochodzące z genomu brunatnicy Pylaiella littoralis (rousvoal i
endosymbionta, które w toku ewolucji prze- współaut. 1998, shutt i Gray 2006). W ge-
niosły się do genomu jądrowego. Najpraw- nomie mitochondrialnym tego organizmu za-
dopodobniej większość genów pochodzenia chowały się ślady działania polimerazy RNA
eubakteryjnego znajdowanych w genomach typu bakteryjnego, w postaci specyficznych
eukariontów ma takie właśnie pochodzenie, dla niej sekwencji promotorowych. Znajduje
choć nie można wykluczyć, że niektóre tra- się w nim także wstawiony fragment DNA, o
fiły tam przez transfer horyzontalny albo są charakterze zbliżonym do sekwencji plazmi-
pozostałościami innych zdarzeń symbiotycz- dowych, który koduje polimerazę RNA typu
nych niż powstanie mitochondriów. Uciecz- fagowego. Mitochondria Pylaiella stanowią
kę DNA z mitochondriów do jądra można zatem ślad wskazujący na to, jak mogła prze-
zaobserwować nawet w warunkach labora- biegać ewolucja białek odpowiedzialnych za
toryjnych (u drożdży S. cerevisiae), wiele transkrypcję w tych organellach  począw-
przesłanek przemawia zatem za takim me- szy od kodowanej w DNA mitochondrial-
chanizmem pochodzenia tej części proteomu nym polimerazy typu bakteryjnego (jak u
mitochondriów. Drugą grupę stanowią geny Reclinomonas), poprzez wstawienie genów
gospodarza, które w toku ewolucji pojawiły pochodzenia wirusowego do genomu sym-
się, lub zmieniły dotychczasową rolę tak, by bionta mitochondrialnego (jak u Pylaiella),
zapewniać niezbędne dla organellum funk- aż do obserwowanej w ogromnej większo-
cje. Mogły one zastąpić utracone geny en- ści organizmów sytuacji, w której geny po-
dosymbionta, albo dostarczyć nowe funkcje, chodzenia fagowego zostały przeniesione do
niezbędne dla współdziałania organellum z genomu jądrowego  gospodarza.
resztą komórki. Filogenetycznie są to geny Ciekawym świadectwem ewolucyjnej
bliższe genom Archaea niż eubakterii, choć przeszłości jest też nierównomierny rozkład
po ponad miliardzie lat ewolucji sygnał filo- genów pochodzących od gospodarza i od
genetyczny często ulega zatarciu. endosymbionta w różnych klasach funkcjo-
Bardzo interesującą, choć mniej liczną nalnych (kurland i andersson 2000, eM-
grupę stanowią geny, które nie pochodzą bley i Martin 2006). Największy udział ge-
ani z genomu endosymbionta, ani z geno- nów pochodzenia eubakteryjnego (a zatem
mu gospodarza. Fascynującym przykładem pochodzących z genomu symbionta, choć
są geny kodujące polimerazę RNA, która od- przeniesionych już do jądra) znajdziemy
powiada za transkrypcję genów mitochon- wśród odpowiadających za ekspresję geno-
drialnych (burGer i współaut. 2003, shutt mu mitochondrialnego, przemiany energii i
i Gray 2006). W prymitywnych mitochon- procesy biosyntetyczne. Natomiast ogromna
driach Reclinomonas americana, które za- większość genów, kodujących białka budu-
chowały wiele cech bakterii, za transkrypcję jące strukturę błony, regulujące metabolizm
odpowiada polimeraza bardzo przypominajÄ…- organellum i zapewniajÄ…ce transport sub-
Paweł Golik
552
stancji pomiędzy mitochondriami a cytopla- doprowadziła do  udomowienia endosym-
zmą pochodzi z genomu gospodarza. Można bionta i zintegrowania go z metabolizmem
na tej podstawie pokusić się o stwierdzenie, całej komórki.
że to głównie ewolucja genomu gospodarza
RÓŻNORODNOŚĆ ORGANIZACJI GENOMÓW MITOCHONDRIALNYCH
Pomimo tego że mitochondria współ- organizacja jest bardzo zwarta, a prawie
czesnych eukariontów są najprawdopodob- całość niewielkiego genomu wykorzystana
niej monofiletyczne, ich różnorodność pod
jest do kodowania informacji. Przykładem
względem organizacji i mechanizmów eks- są mitochondria zwierząt (Metazoa), gdzie
presji zawartego w nich materiału genetycz- najczęściej spotyka się wielkość około 16
nego jest zdumiewająca (patrz praca prze- kb. Brak w nich długich obszarów niekodu-
glądowa burGer i współaut 2003). Dotyczy
jących, geny pozbawione są intronów i se-
to zwłaszcza obszarów niekodujących i róż- kwencji niepodlegających translacji (UTR).
nych mechanizmów ekspresji genów, gdyż
Stosunkowo krótki obszar regulatorowy
zawartość informacyjna wszystkich mtDNA
odpowiada za replikacjÄ™ i za powstanie nie-
jest stosunkowo niewielka  w najbardziej
licznych (2 3) policistronowych transkryp-
rozbudowanym genomie mitochondrialnym
tów, z których w toku obróbki RNA wyci-
(Reclinomonas americana) nie przekracza
nane sÄ… ostateczne mRNA, tRNA i rRNA.
100 genów. W genomach mitochondrial- W innych grupach spotykamy natomiast
nych spotkać możemy najróżniejsze formy
genomy mitochondrialne o bardziej luz
nej
organizacji fizycznej: liniowe chromosomy
organizacji. U drożdży S. cerevisiae genom
występujące pojedynczo lub w postaci kon- mitochondrialny liczy już ponad 80 kb, z
katamerów (czyli połączonych kolejno wie- czego większość przypada na sekwencje
lu kopii cząsteczki), zestawy cząsteczek li- niekodujące. W części transkryptów wystę-
niowych, chromosomy koliste, a nawet zło- pują introny, mRNA zawiera długie sekwen-
żone sieci splecionych ze sobą cząsteczek
cje UTR (pełniące ważną rolę w regulacji
kolistych (u Kinetoplastida).
translacji). Niektóre transkrypty są polici-
Ogromną różnorodność stwierdza się
stronowe, jednak miejsc startu transkrypcji
również wśród mechanizmów ekspresji ge- jest wyraz
nie więcej, niż u zwierząt (oko-
nów mitochondrialnych. Często (u Metazoa,
ło 13 pierwotnych transkryptów). Skrajny
grzybów i części Protista, ale już nie u roślin)
przykład stanowi DNA mitochondrialny
stwierdza się odstępstwa od standardowego
niektórych roślin lądowych, dochodzący do
kodu genetycznego. Transkrypty mitochon- 2000 kb (u dyniowatych). W transkryptach
drialne często (wyjątkiem są tu zwierzęta) za- występują liczne introny, a bardzo długie
wierajÄ… introny grupy I i II (czyli odmienne
obszary niekodujące pomiędzy genami za-
od występujących w genach jądrowych), nie- wierają liczne sekwencje powtórzone, w
kiedy zawierajÄ…ce wewnÄ…trzintronowe geny.
obrębie których często dochodzi do rekom-
Spotyka siÄ™ takie mechanizmy, jak redagowa- binacji.
nie (ang. editing) RNA, niekiedy (jak u Kine- Co ciekawe, nie ma związku między
toplastida) bardzo powszechne i dotyczÄ…ce
zwartością genomu jądrowego i mitochon-
wszystkich transkryptów.
drialnego  genom mitochondrialny ssaków
Wielkość mtDNA różnych organizmów
jest bardzo zwarty, podczas gdy ich genom
waha się w bardzo szerokim zakresie, któ- jądrowy zawiera liczne introny i sekwencje
rego granice wyznaczajÄ… z jednej strony
niekodujące, natomiast u drożdży S. cerevi-
rośliny wyższe (do 2400 kb), zaś z drugiej
siae obserwujemy sytuacjÄ™ odwrotnÄ…  ge-
strony Metazoa (14 42 kb). Najmniejszym
nom jÄ…drowy jest zwarty, zawiera niewiele
znanym genomem mitochondrialnym jest
intronów, a obszary międzygenowe są krót-
mtDNA pierwotniaka Plasmodium falcipa- kie, zaÅ› genom mitochondrialny ma orga-
rum o długości 6 kb. Za to zróżnicowanie
nizacjÄ™ o wiele luz
niejszą, niż u zwierząt.
odpowiadają głównie obszary niekodujące,
Widać zatem, że organizacja genomu jądro-
brak bowiem korelacji między rozmiarem
wego i mitochondrialnego jest w odmienny
genomu mitochondrialnego a liczbą zawar- sposób kształtowana przez dobór naturalny
tych w nim genów. Wśród genomów mi- w ewolucji.
tochondrialnych spotykamy takie, których
Pochodzenie i ewolucja genomu mitochondrialnego
553
DLACZEGO MITOCHONDRIA WCI
Å» ZACHOWUJ
WA
ASNY GENOM?
Wspominając o działaniu doboru natural- warianty, kodowane w genomie jądrowym
nego nie sposób na zakończenie nie zasta- i importowane do organellum (np. atp8 u
nowić się nad jednym, fundamentalnym py- drożdży), jednak dla wielu innych się to nie
taniem  jaki jest ewolucyjny sens utrzymy- udało, mimo wielu prób. Możliwości maszy-
wania się szczątkowego i silnie zredukowa- nerii importującej białka do mitochondriów
nego genomu mitochondrialnego i dlaczego wydają się zatem być realnym czynnikiem,
redukcja genomu mitochondrialnego nie który może ograniczać transfer genów do
doprowadziła do jego całkowitego zaniku? jądra. Pewnym wariantem tej hipotezy jest
Koduje on zaledwie kilkanaście białek, czyli sugestia, że białka kodowane w genomie mi-
około 1% proteomu mitochondriów, tymcza- tochondrialnym mogłyby być bardzo szkodli-
sem w zapewnienie jego utrzymania, repli- we dla komórki, gdyby przypadkowo zostały
kacji i ekspresji zaangażowanych jest co naj- wbudowane w inne błony, niż wewnętrzna
mniej 100 białek kodowanych w genomie błona mitochondrium  utrzymanie kodu-
jądrowym (dane dla drożdży, w przypadku jących je genów w genomie organellum by-
wyższych eukariontów liczba ta jest praw- łoby zatem zabezpieczeniem przed wydosta-
dopodobnie większa). Istnieje wiele teorii niem się ich poza mitochondrium.
próbujących wyjaśnić, dlaczego nie wszyst- Kolejne koncepcje opierają się na obser-
kie geny endosymbionta zostały przeniesio- wacji, że u wszystkich eukariontów wśród
ne do genomu jądrowego albo zastąpione białek kodowanych przez genom mitochon-
genami gospodarza. drialny znajdują się podjednostki głów-
Jednym z mechanizmów blokujących dal- nych kompleksów łańcucha oddechowego.
szy transfer genów do jądra mogą być róż- Teoria CORR (ang. CO-location for Redox
nice w kodzie genetycznym wykorzystywa- Regulation) zakłada, że w genomie orga-
nym przez mitochondria i jądro (de Grey nellarnym kodowane są białka, których eks-
2005), choć pamiętać należy, że istnieją gru- presja jest bezpośrednio regulowana przez
py organizmów (np. rośliny), u których kod stan redox przenośników elektronów, lub
mitochondrialny nie różni się od standardo- przez inne parametry metaboliczne (allen
wego. Kod genetyczny nie stanowiłby też i współaut 2005). Wadą tej koncepcji jest
przeszkody dla przejmowania funkcji przez słabe wsparcie doświadczalne  stwierdzo-
istniejÄ…ce lub nowo powstajÄ…ce geny gospo- no dotychczas jedynie regulacjÄ™ przez stan
darza. Niewątpliwie jednak zmieniony kod redox ekspresji genów chloroplastowych,
genetyczny, a zwłaszcza zmiana znaczenia a u drożdży wykazano zależność transkryp-
kodonu UGA, który w kodzie standardowym cji genów mitochondrialnych od poziomu
jest kodonem STOP, a w mitochondriach ATP. Nie wiadomo jednak, na ile sÄ… to me-
zwierząt i grzybów koduje tryptofan, może chanizmy uniwersalne.
być poważną barierą dla transferu genów y
ródłem następnej hipotezy jest obserwa-
mitochondrialnych do jądra i przyczyniać cja, że u roślin wyższych i u zwierząt wieloko-
się do utrzymania mitochondrialnego syste- mórkowych wyewoluowały, najprawdopodob-
mu genetycznego. niej niezależnie od siebie, mechanizmy zapew-
Inna, bardzo popularna koncepcja zakła- niające dziedziczenie genów mitochondrial-
da, że głównym powodem, dla którego nie- nych wyłącznie od jednego z rodziców. Całe
które białka są wciąż kodowane w genomie grupy sprzężonych polimorfizmów w mtDNA
mitochondrium jest to, że ich synteza w cy- dziedziczą się zatem razem i nie są rozbijane
toplazmie i import do organellum byłyby nie- przez rekombinację. Stwierdzono też, że róż-
możliwe lub bardzo kosztowne ze względu ne warianty mtDNA człowieka, do niedawna
na właściwości biofizyczne (de Grey 2005). uważane za neutralne polimorfizmy, mogą
Wskazuje się tu zwłaszcza na znaczną hydro- podlegać doborowi naturalnemu, głównie za-
fobowość białek takich jak apocytochrom leżnemu od klimatu (patrz artykuł bartnik
b, które u wszystkich znanych eukariontów w tym zeszycie KOSMOSU). W połączeniu z
kodowane są w genomie mitochondrialnym. wysoką zmiennością genetyczną genomu mi-
Dotyczy to również dłuższych cząsteczek tochondrialnego obserwacje te prowadzą do
RNA, czyli rRNA (tRNA mogą być importo- wniosku, że genom mitochondrialny może
wane do mitochondrium). W przypadku nie- być wydzielony ze względu na duże możliwo-
których kodowanych mitochondrialnie bia- ści adaptacji do warunków środowiska, a wy-
łek udało się w laboratorium stworzyć ich selekcjonowane i zgrane ze sobą układy wa-
Paweł Golik
554
riantów w poszczególnych genach dziedziczą ewolucja dwóch współdziałających systemów
się w sposób niezakłócany przez rekombina- genetycznych o różnym pochodzeniu. Bada-
cję (wallace 2007). Genom mitochondrialny jąc ewolucję mtDNA możemy też odpowia-
stanowiłby zatem ewolucyjną pierwszą linię dać na pytania dotyczące niedawnej historii
reakcji na zmieniające się warunki środowiska różnych gatunków, w tym człowieka (patrz
dzięki wysokiej zmienności i zapewnianemu też artykuł bartnik w tym zeszycie KOSMO-
przez dziedziczenie jednorodzicielskie utrzy- SU). Mimo, że ostatnie lata przyniosły w tej
mywaniu sprzężenia koewoluujących warian- dziedzinie wiele nowych odkryć, a rozwój
tów poszczególnych genów. metod sekwencjonowania DNA pozwala li-
Badania nad DNA mitochondrialnym sta- czyć na coraz szybsze i skuteczniejsze pozy-
nowiły klucz do zrozumienia najważniejszych skiwanie nowych danych, problem pocho-
momentów w ewolucji eukariontów. Histo- dzenia i ewolucji mitochondriów wciąż kryje
rię życia na Ziemi w ciągu ostatniego miliar- wiele tajemnic i zapowiada wiele fascynują-
da-dwóch miliardów lat kształtowała wspólna cych odkryć w przyszłości.
THE ORIGIN AND EVOLUTION OF THE MITOCHONDRIAL GENOME
S u m m a r y
The origin of the eukaryotic cellular organisation majority of the mitochondrial proteome is encoded
was one of the most important evolutionary break- in the nucleus. Mitochondrial proteins are encoded
throughs. Current models closely tie the origin of partly by ancient eubacterial endosymbiont s genes
the eukaryotic cell to the endosymbiotic acquisition that were transferred to the nucleus, partly by host s
of mitochondria, that descent from the eubacterial genes descended from the archaebacterial ancestor,
lineage. Currently existing amitochondriate eukaryo- and partly by genes of other origins, like the mito-
tes have organelles that appear to be degenerate mi- chondrial RNA polymerase genes, derived from bac-
tochondria, deprived of the respiratory function, sug- teriophages. Why the mitochondria still retain their
gesting that the last common ancestor of Eukaryotes rudimentary genome, that requires a considerable
did contain a mitochondrial symbiont. In the course expense to maintain and express, is not clear. Sev-
of evolution the organellar genome lost most of its eral explanations were put forward, linking the per-
informational content, most likely due to the degen- sistence of the mitochondrial genome to the particu-
erative effect acting on isolated asexual populations, lar biophysical properties of the proteins it encodes,
known as the Müller s ratchet. In modern eukaryo- or to its role in adaptation to the requirements of
tes it encodes only a handful of proteins, while the the environment.
LITERATURA
allen J. F., Puthiyaveetil s., ströM J., allen c. a., drial DNA resembling a eubacterial genome in
2005. Energy transduction anchors genes in or- miniature. Nature 387, 493 497.
ganelles. BioEssays 27, 426 435. lanG b. F., Gray M. w., burGer G., 1999. Mitochon-
andersson s. G., kurland c. G., 1998. Reductive ev- drial genome evolution and the origin of eu-
olution of resident genomes. Trends Microbiol. karyotes. Annu. Rev. Genet. 33, 351 397.
6, 263 268. lill r., Fekete Z., siPos k., rotte c., 2005. Is there
andersson s. G., ZoMorodiPour a., andersson J. o., an answer? Why are mitochondria essential for
sicheritZ-Ponten t., alsMark u. c., Podowski r. life? IUBMB Life 57, 701 703.
M., naslund a. k., eriksson,a. s., winkler h. h., MarGulis l., 1970. Origin of eukariotic cells. Yale
kurland c. G., 1998. The genome sequence of University Press, New Haven.
Rickettsia prowazekii and the origin of mito- Martin w., Müller M., 1998. The hydrogen hypoth-
chondria. Nature 396, 133 140. esis for the first eukaryote. Nature 392, 37 41.
burGer G., Gray M. w., lanG b. F., 2003. Mitochon- rousvoal s., oudot M., Fontaine J., kloareG b.,
drial genomes: anything goes. Trends Genet. 19, Goër s. l., 1998. Witnessing the evolution of
709 716. transcription in mitochondria: the mitochon-
de Grey a. d. n. J., 2005. Forces maintaining or- drial genome of the primitive brown alga Pylai-
ganellar genomes: is any as strong as genetic ella littoralis (L.) Kjellm. Encodes a T7 like RNA
code disparity or hydrophobicity? BioEssays 27, polymerase. J. Mol. Biol. 277, 1047 1057.
436 446. shutt t. e., Gray M. w., 2006. Bacteriophage origins
eMbley t. M., Martin w., 2006. Eukaryotic evolu- of mitochondrial replication and transcription
tion, changes and challenges. Nature 440, 623 proteins. Trends Genet. 22, 90 95.
630. wallace d. c., 2007. Why do we still have a ma-
kurland c. G., andersson s. G. e., 2000 Origin and ternally inherited mitochondrial DNA? Insights
evolution of the mitochondrial proteome. Micro- from evolutionary medicine. Annu. Rev. Bio-
biol. Mol. Biol. Rev. 64, 786 820. chem. 76, 781 821.
lanG b. F., burGer G., o kelly c. J., cederGren r.,
GoldinG G. b., leMieux c., sankoFF d., turMel
M., Gray M. w., 1997. An ancestral mitochon-