A ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS – ENDOSSIMBIOSE E UMA ABORDAGEM COMPARATIVA.

As Rickettsia são α-proteobacterias que se multiplicam apenas em células eucarióticas. Rickettsia prowazekii é o agente epidemiológico causador da tifo, transmitido por piolhos em humanos.

Bioquímica de Mitocôndria

Bioquímica de Mitocôndria

Três características deste parasita endocelular chamam a atenção; a) acredita-se que R. prowazekii tenha infectado de 20 a 30 milhões de seres humanos na Primeira Guerra Mundial e matou outro alguns milhões, após a Segunda Guerra Mundial. Ela é um descendente de organismo de vida livre (Woese, 1987), o seu genoma fornece insights sobre adaptações ao estilo de vida intracelular obrigatórios, com valor prático provável; b) com base na análise filogenética de sequências de RNA e proteínas ribossomais as evidências apontam que as mitocôndrias são derivadas diretas de α-proteobacterias (Siv et al, 1998) e são relacionadas diretamente com o ancestral das Rickettsia (Olsen et al, 1994), de tal forma que as Rickettsia modernas favorecem um estilo de vida intracelular e que pode ter sido iniciado o cenário endossimbiótico culminando na mitocôndria moderna; c) o genoma de R. prowazekii é pequeno, contendo apenas 1.111.523 pares de bases. Sua posição filogenética e muitas outras características as posiciona como um descendente de bactérias com genomas substancialmente maiores (Woese, 1987). Assim, tanto Rickettsia como mitocôndrias, são bons exemplos de genomas altamente derivados, produtos de vários tipos de evolução redutora (Siv et al, 1998).

A sequência do genoma de R. prowazekii indica que estas três características podem ser relacionadas. Por exemplo, os genomas procarióticos evoluindo dentro de uma célula dominada por um genoma eucarioto é constrangido pela dinâmica da população tenderá a perder informação genética (Kurland, 1992). Conjuntos previsíveis de genes tendem a desaparecer do genoma de procariotos quando se tornam redundantes pelas atividades de genes nucleares. Da mesma forma, sequências não-essenciais e agrupamentos de genes altamente conservados podem ser obstruídos por mutações deletérias que são fixas em populações de parasitas ou organela clonais, porque eles não podem ser eliminados pela seleção.

É exatamente isto que esta ocorrendo em Rickettsia, como mostrado pela identificação de sequências que recentemente se tornaram pseudogenes. Além disso, uma grande parte (25%) de sequências não-codificantes neste genoma pode ser restos de genes que foram degradados por mutações e ainda não foram removidos do genoma (Siv et al, 1998).

Desta forma, a transferência de genes de um ancestral mitocondrial para o núcleo de seu hospedeiro iria reduzir o tamanho do genoma mitocondrial e estabilizar a relação simbiótica. As reconstruções filogenéticas que identificaram os genes do genoma de Rickettsia como um clado irmão mostram homologias de genes com as do núcleo de eucariotos. Desta forma, Rickettsia e mitocôndrias provavelmente compartilham um ancestral α-proteobacterias e uma história evolutiva similar (Siv et al, 1998)

Se compararmos o metabolismo energético de Rickettsia com o de mitocôndrias notamos que no início do seu ciclo infeccioso, R. prowazekii utiliza o ATP do hospedeiro para se ligar a membranas de ATP/ADP translocases. No entanto, ela também é capaz de gerar ATP, para compensar o esgotamento progressivo de ATP durante a infecção. O repertório de genes envolvidos na produção e transporte de ATP de R. prowazekii  incluem fatores determinantes para o ciclo de Krebs, complexos da cadeia respiratória, os complexos de ATP-sintase e as ATP/ADP translocases. Os genes que suportam a glicólise anaeróbia estão ausentes.

Na entrada do ciclo de Krebs, o piruvato é importado para mitocôndrias diretamente a partir do citoplasma e convertido em acetil-CoA pela enzima piruvato desidrogenase (Siv et al, 1998).

O ciclo de Krebs, tricarboxílico ou do ácido cítrico. Hoje ele é conhecido como Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos, em inglês, TCA. Corresponde a uma série de reações químicas que ocorrem na vida da célula e seu metabolismo.

Clique para ampliar. O ciclo de Krebs, ou tricarboxílico (ácido cítrico) corresponde a uma série de reações químicas que ocorrem na vida da célula e seu metabolismo.

Os genes que codificam os três componentes (E1-E3) do complexo piruvato desidrogenase são encontrados em R. prowazekii, indicando que ela também usa o piruvato. A Piruvato desidrogenase (E1) é constituída por duas subunidades (α e β) em R. prowazekii, mitocôndrias e bactérias Gram-positivas; os genes correspondentes estão agrupados no genoma.

Em contraste, proteobacterias como E. coli, Haemophilus influenzae e Helicobacter pylori tem uma única subunidade para o componente E1 e com pouca similaridade com as subunidades α e β de R. prowazekii e mitocôndrias (Siv et al, 1998).

Dois genes parálagos codificam o di-hidrolipoamida desidrogenase (E3) em R. prowazekii. Um destes é homólogo ao de mitocondriais, enquanto o outro é um homólogo bacteriano. A presença de várias famílias parálogas de genes para desidrogenases e piruvato dificulta a reconstrução de uma filogenia baseada nestes genes.

Todos os genes que codificam as enzimas utilizadas no ciclo de Krebs são encontrados em R. prowazekii. A translocação protônica é mediada por NADH-desidrogenase (complexo I), citocromo-redutase (complexo III) e citocromo-oxidase (complexo IV). Vários grupos de genes codificam componentes do complexo NADH- desidrogenase. Sete destes genes (nuoJKLM e nuoGHO) estão localizados próximos um do outro, mas a ordem dos genes é invertida em relação em E. coli.

Um conjunto adicional de cinco genes são agrupados na ordem nuoABCDE, mas os genes individuais nuoF e Nuon estão distantes de ambos os clusters. Várias proteínas do complexo citocromo bc-redutase, tais como o Ubiquinol-citocromo e c-redutase (codificada por petA), citocromo b (codificada pelo cytb) e citocromo c (codificado por fbhC), estão presentes, como várias subunidades do complexo citocromo-oxidase.

O complexo de síntese de ATP é composto pelo componente F1 ATP-sintase (compreendendo cinco polipeptídeos: α, β, γ, ε e δ) e o componente Fo, um segmento hidrofóbico que abarca a membrana mitocondrial interna. Os genes que codificam estes componentes são normalmente agrupados em uma das estruturas mais altamente conservadas dos genomas microbianos. Em R. prowazekii, no entanto, os genes de ATP-sintase que codificam as sub-unidade α, β, γ, ε e δ do complexo de F1 (atpH, ATPA, atpG, ATPD e atpc) são agrupados na ordem comum, mas atpB, ATPE e ATPF (que codifica as cadeias A,B e C) do complexo F0 estão divididas a partir deste cluster (Siv et al, 1998).

 oito hidrogênios liberados no ciclo de Krebs reagem com duas substâncias aceptoras de hidrogênio, o NAD e o FAD, que os conduzirão até as cadeias respiratórias, onde fornecerão energia para a síntese de ATP.

Oito hidrogênios são liberados no ciclo de Krebs e reagem com duas substâncias aceptoras de hidrogênio, o NAD e o FAD, que os conduzirão até as cadeias respiratórias, onde fornecerão energia para a síntese de ATP. A respiração é basicamente uma cadeia de transferência de elétrons cujo o saldo é 36 ou 38 moléculas de ATP

No caso das mitocôndrias e das Rickettsia a relação endossimbiótica se dá por evolução redutora. Desta forma podemos olhar de forma comparativa como as Rickettsia atuam e entender melhor como se dá a endossimbiose em mitocôndrias.

Evolução redutora quer dizer que as atividades dos genes nucleares homólogos podem tornar genes do endossimbionte dispensáveis e, como conseqüência, eles se tornam vulneráveis a obstrução por mutações. Bons candidatos para esses genes expurgados em Rickettsia e mitocôndrias são genes necessários para a biossíntese de aminoácidos, nucleosídeos e glicose anaeróbia. Estes e outros genes teriam sido excluídos quando um genoma ancestral viveu primeiro em uma célula nucleada. Depois que genes essenciais para um modo de vida livre foram perdidos, o endossimbionte se tornou um residente obrigatório do seu hospedeiro.

Da mesma forma, as populações pequenas, os gargalos de bactérias que infectam uma célula eucariótica tenderam a acumular mutações deletérias porque a seleção não pode removê-los (Andersson & Kurland, 1998). A acumulação de tais mutações prejudiciais, mas não-letais atua quase como uma evolução quase neutra (Ohta & Kimura, 1971). A consequência dessa acumulação de mutações foi á inativação e eventual eliminação de genes não mais essenciais.

A primeira mutação que inativa um gene dispensável inicia uma sequência de eventos em que as mutações subsequentes e graduais transformam-no em um pseudogene, levando-o a extinção. Nesta sequência, as mutações levam a constricções da codificação de aminoácidos. Assim, as substituições de nucleotídeos irá refletir o enviesamento de mutações no genoma.

Este viés pode ser estimado por freqüências de bases de terceira posição nos códons.

Para R. prowazekii, o viés das bases de terceira posição é de 18% G+C, em vez da média que é de 29% G+C para o genoma. Então, como as sequências em R. prowazekii, refletem que sua composição deve aproximar-se progressivamente de um baixo teor de G+C das terceiras posições dos códons. Cerca de ¼ do genoma de R. prowazekii é composto por sequências não-codificantes, com um teor de G+C menor que o de sequências de codificação (25% de G+C em comparação com 30%; P<0,001). Assim, a maior parte da sequência não codificadora pode ser restos de sequências codificantes que estão no processo de eliminação do genoma (Siv et al, 1998).

O gene que codifica a enzima S-adenosilmetionina-sintetase (metK), catalisa a biossíntese de S-adenosilmetionina (a SAM, citada na primeira parte do texto junto com outros três complexos  membranares; TOM, TIM22 e TIM23), ilustra o início do presente processo. A sequência metK na R. prowazekii tem um códon de terminação em uma região do gene que é de outra forma altamente conservado entre espécies de bactérias (Andersson & Andersson, 1997). No entanto, um grupo estreitamente relacionado não tem o códon de terminação. Muitos outros defeitos, como códons de terminação, inserções e pequenas deleções também foram observados nos genes metK em vários membros do grupo de Rickettsia. Isso cria um quadro interessante e bastante biodiverso a respeito da endossimbiose que só pode ser explicado por um mecanismo natural e diversificador, a evolução.

Essa distribuição aleatória das mutações letais entre alguns alelos metK de diferentes espécies de Rickettsia indica que o gene pode ter acabado de entrar no processo de extinção. Esta distribuição, e a identificação de mais 11 pseudogenes para carboxipeptidase (ypwA), proteína de ligação à penicilina (CPSP), succinil-CoA-transferase (Scob), transposase (tra3), resolvase (pin), proteína de transferência conjugativa (taxB), uma proteína hipotética (yfc 1) e quatro diferentes fragmentos de (p)ppGpp 3′-pirofosfohidrolase, indicam que o genoma de R. prowazekii continua a eliminar genes (Siv et al, 1998) e o processo evolutivo continua a todo vapor.

Seqüências do genoma podem ser purgadas por um mecanismo mais abrupto. Este é constituído por recombinação em sequências intra-cromossômica duplicadas, o que pode resultar na supressão de sequências mediadoras, a perda de uma sequência de duplicação e o rearranjo de sequências. Em R. prowazekii esse mecanismo será responsável pela presença de uma cópia de rrs e rrl, sendo que ambos estão rodeados por novas sequencias. Do mesmo modo, R. prowazekii tem um gene tuf e um gene fus em clusters atípicos que parecem ter sido criados por recombinação intra-cromossômica entre os dois genes tuf que são normalmente encontrados em bactéria Gram-negativa (Andersson & Kurland, 1995).

Sequencias conservadas que são encontradas em bactérias de vida livre são frequentemente dispersas por todo o genoma de Rickettsia. O genoma de R. prowazekii contém uma pequena fração de sequências repetidas (10% em bactérias de vida livre). Ao que parece, as sequências repetidas encontradas nos antepassados de Rickettsia tem consumido o mecanismo de recombinação intra-cromôssomica gerado por deleções e rearranjos. Tais recombinantes intra-cromossômicos surgem a uma taxa substancial de bactérias que crescem em cultura, mas aqui eles são eliminados a partir das populações por meio de seleção. Tais restos de recombinação intra-cromossômica são mantidos em R. prowazekii e indicam que a seleção purificadora foi atenuada neste organismo (Siv et al, 1998).

A redução no tamanho do genoma na mitocôndria e Rickettsia é provável que tenha ocorrido de forma independente nas duas linhagens. A maioria dos genes mitocondriais estão de acordo com as atividades nucleares. Muitas das 300 proteínas codificadas no núcleo de levedura Saccharomyces cerevisiae e que são destinadas a serviços dentro da mitocôndria são homólogas a de R. prowazekii. Cerca de ¼ destas proteínas são necessárias para processos bioenergéticos e outro 1/3 delas são necessários para a expressão dos genes codificados no genoma mitocondrial.

No total, mais de 150 proteínas mitocondriais codificadas no núcleo compartilham homologia de sequência significativa com proteínas R. prowazekii.

Outro grupo de 58 proteínas mitocondriais codificadas no núcleo representam componentes da maquinaria de transporte mitocondrial e sistema regulatório. Estes incluem proteínas encontradas na membrana externa da mitocôndria e outros envolvidos nas reações. Tais proteínas provavelmente foram recrutadas secundariamente para os genomas de mitocôndrias não são necessariamente relacionadas com o antepassado das α-proteobacterias (Siv et al, 1998).

O genoma mitocondrial dos primeiros divergentes, como protozoário de água doce Reclinomonas americana é mais parecido com o de uma bactéria do que qualquer outro genoma mitocondrial sequenciado. Este genoma contém 67 genes codificadores de proteínas, a maioria deles fornece componentes dos processos genéticos e dos sistemas bioenergético (Lang et al, 1997). Vários agrupamentos de genes neste genoma mitocondrial são resquícios bacterianos. A maioria das semelhanças representam traços antigos presentes no ancestral comum de bactérias e mitocôndrias. Por exemplo, os genes rplKAJL e rpoBC são identicamente organizados em R. prowazekii e no genoma mitocondrial de Reclinomonas americana. Do mesmo modo, os genes que codificam a S10, spc e a proteína α-ribossoma estão organizadas de forma semelhante nos dois genomas. A proximidade imediata destes dois clusters no DNA mitocondrial de Reclinomonas americana é um resquício do arranjo de bactérias de vida livre, ao passo que a separação física dos dois aglomerados do genoma R. prowazekii é atípica.

Outro evento de rearranjo é indicado pelo fato do aglomerado rpsLrpsGfus está localizado a no aglomerado rplKAJLrpoBC de R. prowazekii, diferente do DNAmt de Reclinomonas americana. Reconstruções filogenéticas baseadas em proteínas ribossomais dentro de cada um desses dois grupos indicam que há uma estreita relação evolutiva entre R. prowazekii e mitocôndrias (Siv et al, 1998).

Mitocôndrias e R. prowazekii têm um repertório semelhante de proteínas envolvidas na produção e transporte de ATP, incluindo os genes que codificam os componentes do ciclo de krebs, os complexos de cadeia respiratória, os complexos de ATP-sintase e de ATP/ADP translocases. Existem algumas semelhanças entre as ordens de genes de alguns clusters funcionais, mas também há alguns rearranjos de clusters que são específicos para Rickettsia.

Um exemplo é a inversão de segmentos correspondentes às nuoJKLM e nuoGHI. Outro é o deslocamento de genes envolvidos na biogênese do citocromo c. No entanto, as reconstruções filogenéticas baseadas em componentes dos complexos NADH-desidrogenase indicam que há uma estreita relação evolutiva entre R. prowazekii e mitocôndrias.

Foram identificados até cinco genes que codificam os transportadores de ATP/ADP, todos expressos. As translocases ATP/ADP de Rickettsia são monômeros com 12 regiões trans-membranares cada, enquanto as translocases mitocondriais são dímeros com seis regiões trans-membranares por dímero. Aparentemente não há nenhuma relação entre as estruturas primárias do mitocondrial e translocases de Rickettsia, indicando que estes sistemas de transporte pode ter se originado de forma independente.

O estudo da seqüência do genoma R. prowazekii suporta a ideia de que a respiração aeróbia em eucariotos se originou a partir de um ancestral da Rickettsia, conforme indicado anteriormente por reconstruções filogenéticas com base em sequencias de RNA (Gray & Spencer, 1999). As análises filogenéticas dos genes petB e Coxa indicam que os sistemas de respiração da Rickettsia e mitocôndrias divergiram 1,5 e 2 milhões de anos depois que suas linhagens se separaram e pouco depois a quantidade de oxigênio na atmosfera começar a aumentar (Siv et al, 1998).

Há outros grupos simbiontes em outras bactérias. Seqüências 16S de RNA ribossômico de Agrobacterium e Pseudomonas testosteroni representam os subdivisões α e β das bactérias púrpura. O endossimbionte que deu origem à mitocôndria pertencia à subdivisão α, um grupo em que estão as (Rickettsia) rhizobacterias e agrobactérias, todos os procariontes que desenvolveram relacionamentos intracelulares com células eucarióticas (Yang et al, 1985).

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Mitocôndria, Rickettsia prowazekii, Genes, Homologia, evolução, ATP Sintase.

.

Referências

Siv G. E. Andersson1, Alireza Zomorodipour1, Jan O. Andersson1, Thomas Sicheritz-Pontén1, U. Cecilia M. Alsmark1, Raf M. Podowski1, A. Kristina Näslund1, Ann-Sofie Eriksson1, Herbert H. Winkler2 & Charles G. Kurland. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Nature 396, 133-140 (12 November 1998)
Woese, C. R. Bacterial evolution. Microbiol. Rev. 51, 221–227 (1987).
Gray, M. W. , Cedergren, R. , Abel, Y. & Sankoff, D. On the evolutionary origin of the plant mitochondrion and its genome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86, 2267–2271 ( 1989).
7 Olsen, G. J. , Woese, C. R. & Overbeek, R. The winds of (evolutionary) change: breathing new life into microbiology. J. Bacteriol. 176, 1– 6 (1994).
Gray, M. W. & Spencer, D. F. in Evolution of Microbial Life (eds Roberts, D. M., Sharp, P. M., Alderson, G. & Spencer, D. F.) 109–126 (Cambridge Univ. Press, Cambridge, ( 1996).
Kurland, C.. G. Evolution of mitochondrial genomes and the genetic code. Bioessays 14, 709–714 ( 1992).
13 Andersson, S. G. E. & Kurland, C. G. Reductive evolution of resident genomes. Trends Microbiol. 6, 263–268 (1998).
Ohta, T. & Kimura, M. On the constancy of the evolutionary rate of cistrons. J. Mol. Evol. 1, 18– 25 (1971).
Andersson, J. O. & Andersson, S. G. E. Genomic rearrangements during evolution of the obligate intracellular parasite Rickettsia prowazekii as inferred from an analysis of 52 015 bp nucleotide sequence. Microbiology 143, 2783– 2795 (1997).
Andersson, S. G. E. & Kurland, C. G. Genomic evolution drives the evolution of the translation system. Biochem. Cell Biol. 73, 775–787 ( 1995).
Lang, B. F. et al . An ancestral mitochondrial DNA resembling a eubacterial genome in miniature. Nature 387, 493–497 (1997).
Yang D, Oyaizu Y, Oyaizu H, Olsen GJ, Woese CR. Mitochondrial origins. Proc Natl Acad Sci U S A. 1985 Jul;82(13):4443-7.

Deixe uma resposta

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s