Mitochondria are double membrane bound organelles, surrounded by inner and outer membranes. Mitochondria are unique, having their own genetic material and a complete translation system. Yet, most of the mitochondrial proteins are produced in the cytosol, as a consequence of the evolutionary origin of mitochondria. Accordingly, an α-proteobacterial endosymbiont within the eukaryotic cell was transformed into the mitochondrion and reduced its genomic size by transferring most of its genes to the host nucleus. Translocation of such nuclear encoded proteins to the mitochondria requires special translocases found both at the inner and the outer membrane. As the conserved mitochondrial translocase of the outer membrane (TOM) complex seems to require pre-existing TOM complexes for membrane insertion, evolution of the initial translocon for re-targeting those proteins back to mitochondria is still a matter of debate. In order to find the possible bacterial origins of mitochondrial translocation machinery, based on a previous a survey in Escherichia coli proteome, we studied self-inserting, tail-anchored bacterial polypeptides that might have formed the initial gate allowing proteins to access mitochondria from the cytosol. Indeed, predicted tail anchor (TA) sequences of bacterial DUF883 family proteins, including ElaB and YqjD TAs, were targeted and inserted at the mitochondrial outer membrane within the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. In addition, we also found that the YgiM TA localized to yeast peroxisomes. Our results support the view that eukaryotic cells are able to process membrane targeting signals of bacterial proteins acquired via lateral gene transfer, enabling us to suggest a scenario in which mitochondrial protein translocation was initially allowed by tail-anchored proteins.

Mitokondriler iç ve dış membranlar tarafından çevrili, çift membranlı organellerdir. Mitokondriler, kendi genetik materyali ve translasyon sistemi olan, benzersiz organellerdir. Buna rağmen, mitokondrinin evrimsel sürecinin bir sonucu olarak, mitokondri proteinlerinin çoğu sitoplazmada üretilir. Buna göre, ökaryotik hücrenin içinde bulunan endosimbiyont bir alfa-proteobakteri, mitokondriye dönüşmüş ve genlerinin büyük bir kısmını içinde bulunduğu hücrenin çekirdeğine aktararak genomik boyutunu azaltmıştır. Bunun gibi hücre çekirdeğinde sentezlenen mitokondri proteinleri mitokondriye ulaşmak için iç ve dış membranda bulunan translokazlara ihtiyaç duyarlar. Mitokondri dış membranında bulunan translokaz (TOM) kompleksinin membrana yerleşmesi için hali hazırda yerleşmiş TOM komplekslerine ihtiyaç olduğundan, bu proteinleri tekrar mitokondriye iletecek translokazın nasıl evrimleştiği hala tartışılmaktadır. Mitokondri translokasyon sisteminin muhtemel bakteriyel kökenlerini bulmak adına, daha önceden Escherichia coli proteomunda yapılmış bir incelemeden yola çıkarak, ilk translokonu oluşturup proteinlerin sitoplazmadan mitokondriye erişimini sağlamış olabilecek, kendi kendine membrana yerleşebilen, tail-anchored (TA) bakteriyel polipeptitlerle çalıştık. Gerçekten de, DUF883 ailesine ait ElaB ve YqjD proteinlerinin tahmin edilen TA sekansları Saccharomyces cerevisiae tomurcuklanan maya türünün mitokondri dış membranına yerleşip entegre oldular. Buna ek olarak bakteriyel YgiM proteinin TA sekansının da maya peroksizomlarına yerleştiğini gözlemledik. Bu sonuçlar ökaryotik hücrelerin yatay gen transferiyle edindikleri bakteriyel proteinlere ait membran entegrasyon sinyallerini işleyebildiklerini kanıtlayıp, mitokondri protein translokasyonunun ilk etapta TA proteinler tarafından sağlandığı senaryosunu önermemizi sağlamaktadır.