Forskare omdefinierar mitokondriens ursprung

I en ny studie publicerad i Nature presenterar en internationell forskargrupp, ledd från Uppsala universitet, nya rön kring mitokondriens evolutionära ursprung. Mitokondrien är cellens kraftverk och har spelat en viktig roll för uppkomsten av komplexa organismer på jorden. Forskarna analyserade stora mängder DNA-sekvensdata och kunde visa att tidigare teorier om mitokondriens ursprung inte håller måttet.

Mitokondrier är viktiga organeller (organ inuti celler) som är mest kända för sina energiomvandlande egenskaper som producerar bränsle för våra celler. Mitokondrierna utgör viktiga kännetecken för så kallade eukaryota celler, sådana komplexa celltyper som i stort sett alla levande saker som kan ses med det nakna ögat är uppbyggda av. Det kan till exempel handla om människor, djur, växter eller svampar. Det faktum att alla eukaryota celler har (eller en gång hade) mitokondrie indikerar att uppkomsten av dessa förmodligen spelade en djupgående roll för utvecklingen av komplexa eukaryota celler.

- Tidigare forskning har uppvisat starka bevis för att mitokondrier är släkt med bakteriegruppen alphaproteobakterier. Från vilken gren i detta släktträd mitokondrien utvecklades är fortfarande oklart – olika studier har pekat mot väldigt olika grupper. För att förstå mitokondriens, och även eukaryoternas, ursprung är det avgörande att känna till mitokondriens förfader, säger studiens försteförfattare Joran Martijn, postdoktor vid institutionen för cell och molekylärbiologi, Uppsala universitet.

En del forskare har föreslagit att mitokondrien utvecklades från Rickettsiales en parasitisk grupp bakterier som, liksom mitokondrier, lever inuti eukaryota celler och generellt är helt beroende av sin värd för att överleva. Gruppens största kändis är Rickettsia prowazekii, som orsakar tyfus hos människor.

- Vi tror att det finns två huvudanledningar till bristen på konsensus gällande mitokondriens förfader. För det första är det möjligt att nu levande släktingar helt enkelt inte har upptäckts ännu - om de ens finns fortfarande. För det andra är rekonstruktionen av mitokondriens evolutionära historia extremt utmanande och kan lätt leda till väldigt olika, och därför motstridiga, resultat, säger Thijs Ettema, forskare vid institutionen för cell och molekylärbiologi, Uppsala universitet, som lett forskargruppens arbete.

Uppsalaforskarna bestämde sig för att tackla detta dödläge med hjälp av ett djärvt angreppsätt. Genom att analysera stora mängder av sekvenseringsdata från Stilla havet och Atlanten lyckades de identifiera flera grupper av alphaproteobakterier som inte var kända sedan tidigare. Genom att använda nyligen utvecklades metoder lyckades forskargruppen rekonstruera genomen hos över 40 olika alphaproteobakterier, tillhörande 12 olika grupper.

- Det expanderade urvalet av genom var till stor hjälp i vårt arbete med att precisera mitokondriens position. Vi hoppades att vi genom att använda en mer balanserad uppsättning alphaproteobakterier kunde komma förbi en del av de problem som tidigare studier brottats med, säger Joran Martijn.

Oväntat nog visade forskarnas analyser på en ny position för mitokondrien, utanför alphaproteobakteriernas släktträd. Dessa resultat indikerar att mitokondrien inte är närmsta släkting till någon av de identifierade grupperna av alphaproteobakterier, Rickettsiales inkluderad. Det verkar snarare som att mitokondrien utvecklades från en gemensam förfader som senare gav upphov till alla nu kända alphaproteobakterier.

- Vi misstänker att den populära Rickettsiales-förklaringen är resultatet av ett metodologiskt felsteg. Mitokondrien och Rickettsiales har utvecklats under väldigt liknande förhållanden, vilket kan ha resulterat i mycket liknande, men oberoende, evolutionssätt och sekvensmönster. Detta kan ha komplicerat tidigare försök att bestämma mitokondriens evolutionära ursprung, förklarar Joran Martijn.

Forskarna lyckades inte identifiera några idag levande släktingar till mitokondriens anfader i studien.

- Det var en liten besvikelse förstås. Men kanske har vi letat på fel ställe. I den här studien fokuserade vi på världshaven eftersom dessa är kända för att innehålla mängder av okaraktäriserade alphaproteobakterier, säger Thijs Ettema.

Thijs Ettema och hans team kommer att fortsätta sin jakt på mitokondriesläktingar.

- Avslöjandet av mitokondriens härkomst är nyckeln till förståelsen för hur komplext liv uppstod på jorden. Om moderna släktingar till mitokondrien fortfarande existerar är jag säker på att vi någon gång kommer att hitta dem, säger Thijs Ettema.

För mer information kontakta: Thijs Ettema, e-post: thijs.ettema@icm.uu.se tel. 070 5384219, www.ettemalab.org, @ettema_lab

Martijn, J., Vosseberg, J., Guy, L., Offre, P. & Ettema, T.J.G. (2018) Deep mitochondrial origin outside the sampled alphaproteobacteria. Nature, 10.1038/s41586-018-0059-5