Origin and evolution of eukaryotic compartmentalization

Abstract

The origin of eukaryotic compartmentalization stands as a major conundrum in biology. Current evidence indicates that the last eukaryotic common ancestor (LECA) already possessed many eukaryotic hallmarks, including a complex subcellular organization. The lack of evolutionary intermediates challenges the elucidation of the relative order of emergence of eukaryotic traits. Central in the discussion is the exogenous origin of mitochondria, ubiquitous eukaryotic organelles derived from an α-proteobacterial endosymbiont. Different hypotheses disagree on whether mitochondria were acquired early or late during eukaryogenesis. Similarly, the nature and complexity of the receiving host are debated, with models ranging from a simple prokaryotic host to an already complex proto-eukaryote. In this thesis, I have used phylogenomic methods to address different questions on the origin and evolution of subcellular compartmentalization in Eukaryotes. We provide evidence for extensive retargeting of proteins between the different compartments, and suggest an evolutionary link between mitochondria and peroxisomes. We focus on the evolution of calcium homeostasis in mitochondria and reveal strong co-evolution patterns among the components of the recently identified mitochondrial calcium uniporter complex. Through alternative methodologies we analyze the phylogenetic signal carried by LECA-inferred gene families. Our analyses indicate that the ancestral eukaryotic proteome is a composite of genes originating from different prokaryotic sources. Finally, our work provides strong support for the late acquisition of mitochondria by a complex host. Altogether, our findings shed light on long-standing questions on the origin of Eukaryotes and provide new grounds for further advancements, as new data become available.

El origen de la compartimentación celular en Eucariotas se presenta como uno de los enigmas más importantes de la biología. Las evidencias actuales indican que el último ancestro común eucariota (LECA) ya poseía muchas de sus características avanzadas, incluyendo una organización subcelular compleja. Además, la falta de intermediarios evolutivos desafía la elucidación del orden en el que las características eucariotas aparecieron. En el centro de la discusión está el origen exógeno de las mitocondrias, orgánulos eucariotas derivados de α-proteobacteria vía endosimbiosis. Las diferentes hipótesis discrepan sobre si las mitocondrias fueron adquiridas al principio o al final durante el proceso de eucariogénesis. Del mismo modo, se debate la naturaleza y complejidad del hospedador, con modelos que van desde un simple hospedador procariota hasta un proto-eucariota dotado de cierta complejidad. En esta tesis, se han utilizado métodos filogenómicos para contestar a diferentes preguntas sobre la evolución de la compartimentación eucariota. Proporcionamos evidencia de una amplia relocalización de proteínas entre los diferentes compartimentos y sugerimos un vínculo evolutivo entre las mitocondrias y los peroxisomas. Nos centramos en la evolución de la homeostasis del calcio en las mitocondrias y observamos patrones de coevolución entre los componentes del sistema transportador mitocondrial de calcio. A través de metodologías diferentes se analiza la señal filogenética de familias de genes del ancestro común de Eucariotas. Nuestros análisis demuestran que el proteoma ancestral eucariota es un mosaico de genes de diferentes fuentes procariotas. Por último, nuestro trabajo proporciona un fuerte soporte a las hipótesis que la adquisición de la mitochondria tuvo lugar hacia el final de la eucariogénesis por parte de un hospedador complejo. En conjunto, nuestros resultados aclaran cuestiones que llevaban mucho tiempo abiertas sobre el origen de los Eucariotas y proporcionan nuevas bases para avances adicionales.