Mitochondriální evoluce

Eukaryotická buňka je poněkud komplikovaná. Její útroby protínají lipidické membrány vytvářející škálu trubic a váčků, které se různě spojují a oddělují. Říkáme jim organely a odehrávají se v nich specializované pochody – kupříkladu v jádře dochází k přepisu DNA do RNA nebo v Golgiho komplexu k syntéze nových lipidů.

Důvodů této kompartmentace může být řada:

• metabolické dráhy koncentrované do malého prostoru jsou výkonnější, neboť enzymy si mohou rychleji předávat substrát;
• na různých místech mohou probíhat částečně protichůdné reakce, aniž by se enzymy nadarmo trápily v jalovém cyklu;
• prostorové oddělení procesů udržuje časovou posloupnost některých dějů, a tak se RNA nejdříve v jádře sestříhne a pak teprve v cytoplasmě přeloží do proteinu.

Většina membránových útvarů v buňce pochází z endomembránového systému, který počíná jadernou membránou, obepíná endoplazmatické retikulum a postupně se diferencuje do všech možných váčků sekrečního systému buňky.

Každá eukaryotická buňka má také mitochondrii (viz rovněž Vesmír 75, 553, 1996/10; 86, 179, 2007/3). Ta může tvořit obrovskou retikulární síť (obr. 1) roztaženou a propletenou po celé buňce (tak ji známe třeba z našich buněk), anebo vytváří miniaturní váčky, které nacházíme u některých jednobuněčných anaerobních organismů a které snadno přehlédneme i na elektronovém mikroskopu. Mitochondrie je vždy vymezena dvojitou membránou, která se dělí nezávisle na okolních organelách. Uvnitř se kromě proteinů nachází také DNA, která tvoří malý mitochondriální genom a exprimuje se do několika málo proteinů a molekul RNA (mitochondrie našich buněk mají celkem 37 genů, 13 z nich kóduje proteiny).

Původ mitochondrie

Asi před dvěma miliardami let se spojily osudy dvou buněk. Vznikl endosymbiotický vztah, který trvá dodnes. Během milionů let se host svému hostiteli podvolil, z větší části obětoval svou nezávislost a stal se pouhou organelou. Zatím neznáme podobu hostitelské buňky, avšak nedávné objevy vystopovaly příbuznost pohlceného endosymbionta s dosud živými alfaproteobakteriemi, které ne náhodou sdružují celou řadu nitrobuněčných bakterií (např. Rickettsia).

Alfaproteobakterie jsou stejně jako mitochondrie ohraničeny dvěma membránami. Mitochondrie s nimi navíc spojuje sekvenční podobnost genů kódovaných mitochondriální DNA, ale i genů pro některé mitochondriální proteiny, které jsou kódovány v jaderné DNA. Roli korunního svědka v případu původu mitochondrie sehrál jednobuněčný bičíkovec Reclinomonas americana, který plave v kdejaké louži. Jeho mitochondriální genom je dosud největší, jaký známe. Má téměř 100 genů, které jsou sekvenčně podobné těm bakteriálním a zároveň jsou na mitochondriální DNA seřazeny ve stejném pořadí jako na bakteriálním chromozomu.

Kam se ale poděly stovky a možná tisíce genů, které si s sebou přinesla první endosymbiotická alfaproteobakterie? Některé se podle všeho ztratily během přeměny endosymbionta na organelu a některé se přestěhovaly do jádra hostitele. Zde jsou pod dohledem hostitelova transkripčního aparátu, který tak snáze kontroluje jejich expresi. S velkým stěhováním genů do jádra však vyvstává významný problém, který musela eukaryotická buňka záhy vyřešit. Jak dostat zpátky do mitochondrie potřebné proteiny, které jsou teď kódované v jádře a překládané na volných ribozomech v cytoplazmě?

Transport proteinů přes membrány

Obecně využívají živé organismy k transportu proteinů (opomeneme-li membránovou fúzi) „díry a motoru“. To znamená, že pasivní proteinový pór v membráně spolupracuje s molekulárním chaperonem (Vesmír 77, 15, 1998/1), který opakovanou vazbou na přenášený substrát pohání celý transport. K tomu, aby byl protein nasměrován ke správné membráně, vyvinuly živé organismy systém molekulárních adres. Jsou to proteinové sekvence s určitým pořadím aminokyselin, jež jsou součástí přenášených proteinů. Rozpoznávají je specifické receptory zakotvené v sousedství póru. Protože jsou póry příliš úzké, putují proteiny přes membrány jako rozložené polypeptidy, a tak mohou být jejich adresy snadno rozpoznány.

Přenášet proteiny přes membrány dokážou i všechna prokaryota (obr. 2). Sekretují do okolního prostředí nebo zabudovávají do své vnější membrány nejrůznější efektorové molekuly. Nejdůležitějším kanálem ve vnitřní bakteriální membráně je SecY translokáza, která v trochu pozměněné podobě pracuje na plné obrátky také v membráně našeho endoplazmatického retikula (protein Sec61). Další bakteriální translokáza YidC pomáhá SecY při vkládání komplikovaných proteinů do vnitřní membrány. Snad nejzáhadnější je zatím translokáza TAT, která je schopná, byť pomalu, přenášet přes membránu již sbalené proteiny a proteinové komplexy. Způsob transportu systémem TAT je dosud nejasný, ale stojí v popředí zájmu biotechnologických oborů, neboť by umožnil obejít obtížné postupy pro izolaci rekombinantních proteinových komplexů.

Cesta tam a zase zpátky

Všechny tyto tři translokázy byly přítomny také v membráně první mitochondrie (obr. 2). Ta tedy mohla vesele uvolňovat své proteiny do cytosolu hostitele. Mohly ale také pomocí těchto kanálů vstupovat proteiny zpět do mitochondrie? Translokázy TAT a YidC toho nejsou konstrukčně schopné. Řada dílčích prací však ukazuje možnou účast proteinu Sec61 na exportu proteinu z endoplazmatického retikula. Zda jedna a ta samá molekula kanálu přenáší proteiny oběma směry, nebo jde o dvě oddělené populace, či zda se dokonce Sec61 tohoto procesu účastní jen jako podjednotka vlastního kanálu, není dosud známo.

Ať už byl ale SecY schopen po určitou dobu importu proteinů do mitochondrie nebo ne, jisté je, že to netrvalo dlouho. Pouze jediný organismus má stále ve svých mitochondriích gen pro SecY. Je jím právě Reclinomonas americana, který si kromě SecY ve svém mitochondriálním genomu ponechal i komponenty TAT a YidC. Studium této jedinečné mitochondrie však ukazuje spíše na unikátní případ zpomalené mitochondriální evoluce nežli na funkční adaptaci translokázy. V mitochondriích tohoto prvoka jsou zároveň přítomny komplexy TIM, TOM a SAM, které dnes fungují u všech eukaryot jako univerzální mitochondriální translokázy. Jejich přítomnost u všech eukaryotických linií napovídá, že byly vytvořeny záhy po vzniku mitochondrie. Kde se ale vzaly?

Mitochondriální translokázy

Nejdříve krátce k jejich funkci, jak ji známe z kvasinkových nebo savčích mitochondrií (obr. 3). Adresové sekvence mitochondriálních proteinů rozeznávají receptory Tom20 (rozpustné proteiny) nebo Tom70 (membránové proteiny) na vnější mitochondriální membráně. Receptory spolu s dalšími proteiny tvoří komplex TOM (translocase of the outer membrane), který je vystavěn kolem centrálního kanálu Tom40. Tom40 je vzdáleně příbuzný bakteriálním porinům, které přenášejí celou řadu metabolitů přes vnější bakteriální membránu. Poriny i Tom40 mají velice kompaktní soudkovitý tvar, a jsou proto ideální jako nezávislé transportní jednotky. Všechny mitochondriální proteiny, ať už směřují do mitochondriální matrix nebo do vnější membrány, musejí projít skrze Tom40. Poté si je rozeberou importní dráhy specificky vyladěné na jednotlivé mitochondriální subkompartmenty. Jakmile hydrofobní proteiny vnější a vnitřní membrány vstoupí do vodného prostředí mezimembránového prostoru mitochondrie, riskují, že skončí jako proteinové sraženiny. Proto je záhy obalí malé Tim proteiny a drží se jich až do kontaktu s membránou.

Proteiny vnitřní membrány rozeznává komplex TIM22 (translocase of the inner membrane), zatímco rozpustné proteiny mitochondriální matrix odlišný komplex TIM23. Import proteinů do vnitřní membrány vyžaduje přítomnost mebránového potenciálu, který vzniká během dýchání mitochondrie. Proteiny mitochondriální matrix navíc potřebují ATP, aby mohl pracovat chaperon Hsp70, který proteiny vtahuje dovnitř. Tento volně rozpustný protein musí být v blízkosti translokačního kanálu. To zajišťuje skupina proteinů vytvářejících PAM (presequence translocase associated motor), jehož úkolem je zakotvit Hsp70 k membráně a stimulovat jeho aktivitu.

Protože ani jeden z těchto komplexů se u bakterií nevyskytuje, mělo se dlouhou dobu za to, že nám opět chybí „evoluční článek“. V posledních několika letech se však ukázalo, že pro řadu podjednotek importních komplexů můžeme nalézt alespoň částečné bakteriální homology (obr. 3).

Některé bakteriální proteiny se během mitochondriální evoluce dostaly do nových komplexů (např. bakteriální komplex BAM se změnil na mitochondriální SAM), jiné prošly „molekulárním roubováním“, kdy se jejich funkční domény pospojovaly s jinými doménami a vytvořily proteiny zcela nové (např. bakteriální TimB byl pozměněn na mitochondriální Pam18). Výsledkem jsou naprosto unikátní membránové komplexy, které pracují jako izolované funkční moduly.

Srovnávací evoluční studie ukazují, že klíčové složky komplexů SAM, TOM, TIM a PAM jsou společné pro všechny skupiny eukaryotických organismů. Ty si ale nezávisle vytvořily řadu dalších podjednotek, které umožnily „vyladění“ mitochondriálního importu pro své specifické proteiny.

Přestože import proteinů do mitochondrií patří mezi nejlépe prostudované transportní systémy, dosud neznáme mechanismus importu pro řadu funkčně nesmírně důležitých proteinů. Mezi ně patří zejména regulátory programované buněčné smrti ze skupiny Bcl-2, které se na daný podnět doslova zapichují do vnější mitochondriální membrány. Navíc existují pozorování vezikulárního transportu mezi mitochondriemi a dalšími organelami. Ale o tom až někdy příště.