http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 79, červenec 2000 373
Sekvencování celých genomů dalo nový význam otázce,
zda informace v buněčné DNA bezezbytku popisuje
eukaryontní buňku. Vhled získaný studiem evoluce
a vývoje mitochondrií i chloroplastů naznačuje,
že nikoli. Výstavba těchto organel vyžaduje kupříkladu
složité mechanizmy pro přísun proteinů, vznikajících
v cytoplazmě, na různá místa v organelách. Tyto
mechanizmy přemísťují desítky proteinů v cytoplazmě,
v membránách i vnitřních prostorách organel a ke své
funkci vyžadují přesnou orientaci ve vnitrobuněčných
a transmembránových vztazích. Současné poznatky
jednoznačně svědčí o tom, že zmíněné dráhy nejsou
schopny se uspořádat, jestliže neexistuje jejich předchozí
kopie (výstavba je závislá na vzoru). Proto je
každý protein potřebný pro přísun jiných proteinů do
mitochondrií kvasinky životně důležitý, a to za všech
podmínek. Totéž bude pravděpodobně platit pro chloroplasty,
a zřejmě i pro organely, které nemají vlastní
genom, jako jsou peroxizomy, Golgiho aparát nebo
endoplazmatické retikulum.
Závažná role membrán se předpokládala už dříve,
ale dnes máme informace k jejímu pochopení na molekulární
úrovni. Je pro nás naléhavou výzvou, abychom
se pokusili určit, jak velká část našeho genetického
dědictví je zakódována ve strukturách našich
buněčných organel.1)
G. Schatz
O dvou typech buněčných organel – mitochondriích
a chloroplastech – se předpokládá, že v evoluci vzešly
z bakterií, které začaly symbioticky žít uvnitř
eukaryontních buněk. S bakteriemi sdílejí především
tyto vlastnosti:
n Nikdy nevznikají de novo – množí se pouze dělením
mateřské organely.
n Mají genetický aparát bakteriálního typu, odlišný
od struktur a procesů v jádře a cytoplazmě buňky.
Mitochondrie vzešly ze skupiny alfa-proteobakterií,
chloroplasty ze sinic.
n Některé membránové lipidy těchto organel (např.
kardiolipin) najdeme v bakteriích, ale nikoli
v ostatních membránách téže buňky.
n Srovnáme-li pořadí aminokyselin v proteinech vykonávajících
stejnou funkci v organele a v cytoplazmě,
obvykle se ukáže, že jde o produkty dvou
různých genů. Organelární protein je svými parametry
víc příbuzný proteinům volně žijících bakterií
než proteinům z jiných částí vlastní buňky.
n Obě organely jsou sídlem některých funkcí, které
jsou jinak přítomny jen v bakteriích; nejdůležitější
z nich jsou dýchání, fotosyntéza a syntéza adenozintrifosfátu
(ATP) pomocí membránového komplexu
F0
F1
-ATPsyntetázy (viz Vesmír 77, 23, 1998/1).
Pro pochopení, jak v evoluci k symbiózám došlo,
jsou důležité endosymbiózy řady organizmů s bakteriemi.
Lze popsat mnoho závislostí, od parazitů (např.
Salmonella) až po velmi těsné svazky obou typů buněk,
takové, že ani jeden z organizmů není schopen
samostatně žít bez partnera.
Jak se organely zapojily do života buňky
Mitochondrie i chloroplasty obsahují řádově 1000
proteinů. Jejich genom by proto měl obsahovat právě
tolik genů. Avšak genom chloroplastů obsahuje
jen 100–200 genů, a genom mitochondrií dokonce
jen několik desítek. Z tohoto počtu jen část představují
geny pro proteiny (zbytek jsou geny pro RNA).
Počet proteinů syntetizovaných v mitochondriích
kolísá od 62 u bičíkovce Reclinomonas americana přes
37 u játrovky Marchantia, 13 u savců až k pouhým 3
u původce malárie Plasmodium falciparum.
Jelikož volně žijící bakterie mají asi 3000 genů,
znamená to, že z genomu původních symbiontů jich
většina během proměny v organelu zmizela. Část se
jich nepochybně ztratila – například geny kódující
některé proteiny buněčných povrchů a řadu metabolických
drah.
Ty proteiny, které v organelách jsou, a přitom tam
svůj gen nemají, musí mít své geny v jádře, jsou syntetizovány
v cytoplazmě, a posléze přesunuty do organely.
Může jít samozřejmě i o produkty genů, které
byly v jádře odjakživa. Jelikož však řada organelárních
proteinů vykazuje nepochybné bakteriální „signatury“,
jejich geny byly do jádra patrně přesunuty
z původního bakteriálního symbionta. Přesun byl spojen
s nutnými změnami v oblasti DNA před genem a za
ním – tyto regulační oblasti jsou v jádře jiné než
v bakteriálním genomu.
Nevíme, jak se geny do jádra dostaly, ale nejspíš
se jich většina přesunula hned v počátcích soužití,
a potom – u různých skupin organizmů různě – je
tu a tam následovaly geny další. Tak se stalo, že
z různých proteinů syntetizovaných v mitochondriích
jen dva jsou tam syntetizovány vždy (cytochrom b
a jedna podjednotka cytochromoxidázy). Ostatní tvoří
proměnlivou množinu, podle toho, co zrovna u dané
vývojové linie v organele přežilo. Řád v tom není
a neví se, proč vůbec se mitochondrie namáhají
s udržením genetického aparátu a syntézou těch
několika proteinů. Jde o proteiny vysoce hydrofobní,
a tak se původně myslelo, že buňka nebyla schopna
vyřešit jejich transport přes vodní prostředí cytoplazmy.
Předpoklad sice nebyl zavržen úplně, ale
omezil se nakonec jen na zmíněné dva proteiny.
A s transportem začínají problémy. Protein je sice
syntetizován jako lineární řetězec aminokyselin, ale
ihned se balí do trojrozměrné struktury, která sama
o sobě do membrán a vnitřních prostor organel vstupovat
nemůže. Buňka tedy musela vyvinout složitý
systém pro transport proteinů do organel, zahrnující
zejména soustavu chaperoninů (viz Vesmír 77, 15,
1998/1) a složitých membránových pórů. Důležité
z tohoto hlediska jsou dvě skutečnosti:
Srůstání
organizmů
Semiautonomní organely
ANTON MARKOŠ
RNDr. Anton Markoš, CSc., (*1949) viz Vesmír 79, 253, 2000/5
1) G. Schatz: Cytoplasmic organelles: What DNA cannot tell us. Přednáška
z konference Endocytobiology VII, Freiburg 1998, Endocytobiosis
and Cell Research 13, 1998, Supplement s. 118, přel. A. M.
374 VESMÍR 79, červenec 2000 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
1. Původní bakteriální gen kromě zmíněných regulačních
sekvencí musel získat novou část kódující
signální konec preproteinu. Schatz ve své přednášce
na citované konferenci zdůraznil, že to nemusel
být zas tak velký problém: Tyto signální konce,
které plní funkci jakéhosi „směrového čísla“, mají
šroubovicovou strukturu, a té lze dosáhnout z velkého
množství nukleotidových sekvencí.
2. Komponenty přívodního systému musely být do
organely dopraveny popsaným způsobem! Opět jsme
u známého cyklu slepice – vejce, a právě na tuto skutečnost
upozorňuje Schatz: organely ani jejich přívodní
systémy nemohou vznikat de novo, protože
k jejich výstavbě je potřeba informace o předchozím
vývoji. Vskutku, jediné smrtící mutace genů pro mitochondriální
proteiny se (u kvasinek) týkají genů pro
proteiny, které jsou součástí přívodní dráhy.
Další evoluční souvislosti
Jedna skupina eukaryontních organizmů bez mitochondrií
(Archaeozoa), protisti ze skupiny Microsporidia
a Diplomonadina, jako by žádné symbiotické
organely neměla. Tyto organizmy byly proto dlouho
považovány za prastaré skupiny eukaryont, které se
odštěpily ještě před nástupem endosymbiózy. Teorie
byla nedávno zpochybněna, když i u těchto organizmů
byly nalezeny geny kódující u ostatních protein
sídlící v mitochondriích. Přítomnost takového
genu v buňce bez mitochondrií může být vysvětlena
tak, že kdysi skupina mitochondrie měla. Jejich geny
se přenesly do jádra, načež organely zanikly. Z kočky
zbyl jen škleb.
Jiná skupina archezoí (Parabasalia) má hydrogenozom,
zvláštní organelu, která zpracovává produkty
anaerobního kvašení a produkuje vodík. Organela
neobsahuje žádnou DNA. Podobně jako mitochondrie
a chloroplasty nevzniká de novo, ale jen dělením
organel dosavadních, což vzbudilo podezření, že
vznikla endosymbioticky, např. z anaerobních bakterií
typu Clostridium. Jedinou slabinou této hypotézy
je skutečnost, že se hydrogenozomy vyskytují
i u několika skupin nálevníků a hub, organizmů,
jejichž nejbližší příbuzní mitochondrie mají. Mnohonásobná
endosymbióza se přecejen nejevila jako příliš
věrohodná, a tak to vypadá, že i v tomto případě
jde o pozměněné mitochondrie. V prostředí bez kyslíku
si mitochondrie mohly dovolit ztratit svůj genetický
aparát a spoustu dalších funkcí. Nějaké
funkce potom naopak získaly a vznikl z nich hydrogenozom.
Ve prospěch této verze mluví i nález
Hsp70 mitochondriálního typu v hydrogenozomech,
a dále to, že pokud genem pro hydrogenozomální
protein transformujeme organizmus s mitochondriemi,
bude syntetizovaný cizí protein přenášen
právě do mitochondrií. A tak by se mohlo ukázat,
že všechny bezmitochondriální organizmy jsou nakonec
jen odvozeninami a žádná skutečná Archezoa
už dnes nežijí. ¨
TRANSPORT DO MITOCHONDRIÍ
n Protein (přesněji preprotein) syntetizovaný v cytoplazmě
musí nést signální sekvenci, „směrové číslo“, úsek na molekule,
který umožňuje jeho rozpoznání jako proteinu určeného
do mitochondrií. Je jím krátký úsek na začátku
řetězce, uspořádaný do šroubovice tak, že jedna její strana
je po délce hydrofobní, druhá kladně nabitá.
n Takto označené proteiny jsou uchopeny systémem chaperoninů
(Hsp) a dalších pomocných proteinů a dopraveny
k vnější mitochondriální membráně, kde se systém naváže
na multiproteinový pór označovaný jako TOM
(Translocase of the Outer Membrane). Protože molekula
ve tvaru klubíčka se přes TOM nedostane, je nutno ji rozbalit
a jako jednorozměrný řetězec soukat přes vnější mitochondriální
membránu.
n Jestliže je protein určen pro mitochondriální matrix, musí
překonat ještě vnitřní mitochondriální membránu. V té se
nachází pórový komplex TIM (Translocase of the Inner
Membrane, složením naprosto odlišný od TOM). Představa
je taková, že obě membrány k sobě přilnou a protein
prochází komplexem TOM/TIM. Zavedení do TIM vyžaduje
přítomnost membránového potenciálu na vnitřní membráně,
tj. mitochondrie musí být energeticky „nabité“.
n Z vnitřní strany je preprotein opět uchopen chaperoninem
(Hsp70 bakteriálního, tj. i mitochondriálního typu), pomocí
proteinázy (MPP) je odštěpena signální sekvence, a působením
dalšího chaperoninu získá konečné uspořádání.
n Pro proteiny určené do obou membrán a mezimembránového
prostoru existují variace na popsané téma. Proteiny
vnější membrány nemají signální sekvenci, vážou
se sice na TOM, ale nepřesouvají se a vnoří se do membrány.
Proteiny určené do mezimembránového prostoru
a vnitřní membrány mohou, ale nemusí mít signální koncovou
sekvenci (signál je na jiné části molekuly), a komplex
TOM je složen z jiných komponent. Do vnitřní membrány
jsou proteiny zabudovány systémem TIM, který je
sice podobný, ale nezávislý na výše popsaném.
TRANSPORT DO CHLOROPLASTŮ
U chloroplastů přistupuje ještě třetí systém membrán – tylakoidy.
Věnujme pozornost jen vnější a vnitřní membráně,
které jsou analogické mitochondriálním. Situace je na první
pohled shodná s mitochondriemi: signální sekvence,
membránové póry (TOC a TIC), chaperoniny. Komponenty
celého systému však nejsou s mitochondriálními homologní
– obě dráhy se liší snad ve všech detailech. Chloroplasty
vstoupily do symbiotického vztahu později než mitochondrie,
evidentně však odmítly převzít od svých předchůdců
jejich mechanizmy přenosu a vypracovaly si své vlastní.
Kresba © Fatima Cvrčková