Golik Pochodzenie i ewolucja genomu mitochondrialnego (2009)
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: pgolik@igib.uw.edu.pl 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 M�ller 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 zródło 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 pózniej 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. Są to, Efekty działania zapadki M�llera obserwu- między innymi, geny wielopodjednostkowej je się w wielu przypadkach populacji endopa- polimerazy RNA typu eubakteryjnego, nie sożytów, np. wirusów. Wyrazne 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 są procesu pewne szczepy Rickettsia posiadają 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 M�llera. 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. działaniem zapadki M�llera (andersson i kur- zapadka M�llera (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- zastąpienia 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 przypominają- organellum i zapewniające 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 replikację 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 są ostateczne mRNA, tRNA i rRNA. 100 genów. W genomach mitochondrial- W innych grupach spotykamy natomiast nych spotkać możemy najróżniejsze formy genomy mitochondrialne o bardziej luznej 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 wyraznie 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 wierają introny grupy I i II (czyli odmienne obszary niekodujące pomiędzy genami za- od występujących w genach jądrowych), nie- wierają liczne sekwencje powtórzone, w kiedy zawierające wewnątrzintronowe geny. obrębie których często dochodzi do rekom- Spotyka się takie mechanizmy, jak redagowa- binacji. nie (ang. editing) RNA, niekiedy (jak u Kine- Co ciekawe, nie ma związku między toplastida) bardzo powszechne i dotyczące 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 wyznaczają z jednej strony niekodujące, natomiast u drożdży S. cerevi- rośliny wyższe (do 2400 kb), zaś z drugiej siae obserwujemy sytuację odwrotną ge- strony Metazoa (14 42 kb). Najmniejszym nom jądrowy jest zwarty, zawiera niewiele znanym genomem mitochondrialnym jest intronów, a obszary międzygenowe są krót- mtDNA pierwotniaka Plasmodium falcipa- kie, zaś genom mitochondrialny ma orga- rum o długości 6 kb. Za to zróżnicowanie nizację o wiele luzniejszą, 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 WCIŻ ZACHOWUJ WAASNY 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- istniejące lub nowo powstające geny gospo- no dotychczas jedynie regulację 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 są to me- zwierząt i grzybów koduje tryptofan, może chanizmy uniwersalne. być poważną barierą dla transferu genów yródłem 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 M�ller 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., str�M 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., M�ller 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, Go�r 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-