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[资源] Origin of Mitochondria and Hydrogenosomes

读书的时候看的一本书，里面很多内容给我了我很大帮助，今天分享一下

Origin of Mitochondria and Hydrogenosomes.jpg
William F. Martin
Miklós Müller (Editors)
Origin of Mitochondria and Hydrogenosomes

1 The Road to Hydrogenosomes
MIKLóS MüLLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Story . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Mitochondria: Key to Complexity
NICK LANE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Compartments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Dynamics of Gene Gain and Gene Loss in Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 ATP Regulation of Bacterial Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.6 Redox Poise Across Bioenergetic Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Allometric Scaling of Metabolic Rate and Complexity . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Origin, Function, and Transmission of Mitochondria
CAROL A. ALLEN, MARK VAN DER GIEZEN, JOHN F. ALLEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Origins of Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Mitochondrial Genomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 The Mitochondrial Theory of Ageing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 Why Are There Genes in Mitochondria? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.6 Co-location of Gene and Gene Product Permits Redox
Regulation of Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.7 Maternal Inheritance of Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Mitochondria and Their Host: Morphology to Molecular Phylogeny
JAN SAPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Alternative Visions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Before the Word . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 Les Symbiotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.5 Symbionticism and the Origin of Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.6 Against the Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.7 Infective Heredity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.8 The Tipping Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.9 The Birth of Bacterial Phylogenetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.10 Just-So Stories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.11 Kingdom Come, Kingdom Go . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.12 A Chimeric Paradigm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.13 Recapitulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5 Anaerobic Mitochondria: Properties and Origins
ALOYSIUS G.M. TIELENS, JAAP J. VAN HELLEMOND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Possible Variants in Anaerobic Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3 Cytosolic Adaptations to an Anaerobic Energy Metabolism . . . . . . . . 88
5.4 Anaerobically Functioning ATP-Generating Organelles . . . . . . . . . . . 89
5.5 Energy Metabolism in Anaerobically Functioning Mitochondria . . . . 90
5.6 Adaptations in Electron-Transport Chains in Anaerobic
Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.7 Structural Aspects of Anaerobically Functioning Electron-
Transport Chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.8 Evolutionary Origin of Anaerobic Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Iron–Sulfur Proteins and Iron–Sulfur Cluster Assembly in Organisms
with Hydrogenosomes and Mitosomes
JAN TACHEZY, PAVEL DOLEZ ˇAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 Mitochondrion-Related Organelles in “Amitochondriate”
Eukaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.2.1 Hydrogenosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.2.2 Mitosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3 Iron–Sulfur Cluster, an Ancient Indispensable Prosthetic Group . . . . 109
6.4 Iron–Sulfur Proteins in Mitochondria and Other Cell
Compartments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5 Iron–Sulfur Proteins in Organisms Harboring Hydrogenosomes
and Mitosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.6 Iron–Sulfur Cluster Assembly Machineries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.6.1 Iron–Sulfur Cluster Assembly in Saccharomyces cerevisiae . . . 116
6.6.2 Trichomonas vaginalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.6.3 Giardia intestinalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.6.4 Cryptosporidium parvum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.6.5 Microsporidia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.6.6 Entamoeba histolytica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.7 Iron–Sulfur Cluster Biosynthesis and the Evolution of
Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7 Hydrogenosomes (and Related Organelles, Either) Are Not the Same
JOHANNES H.P. HACKSTEIN, JOACHIM TJADEN, WERNER KOOPMAN,
MARTIJN HUYNEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2 Hydrogenosomes and Mitochondrial-Remnant Organelles
Evolved Repeatedly: Evidence from ADP/ATP Carriers . . . . . . . . . . . . 139
7.3 Functional Differences Between Mitochondrial and Alternative
ADP/ATP Transporters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4 Evolutionary Tinkering in the Evolution of
Hydrogenosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.1 Hydrogenosomes of Trichomonas vaginalis . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.4.2 Hydrogenosomes of Anaerobic Chytrids: an Alternative
Way to Adapt to Anaerobic Environments . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.4.3 Hydrogenosomes of Anaerobic Ciliates: At Least One
Appears to Be a Missing Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.5 Why an [Fe]-Only Hydrogenase? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
8 The Chimaeric Origin of Mitochondria: Photosynthetic Cell Enslavement,
Gene-Transfer Pressure, and Compartmentation Efficiency
THOMAS CAVALIER-SMITH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.1 Key Early Ideas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
8.2 The Host Was a Protoeukaryote Not an Archaebacterium . . . . . . . . . 166
8.3 Was the Slave Initially Photosynthetic? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.4 Three Phases of α-proteobacterial Enslavement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.5 Did Syntrophy or Endosymbiosis Precede Enslavement? . . . . . . . . . . 173
8.6 The Chimaeric Origin of Mitochondrial Protein Import and
Targeting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
8.7 Stage 2: Recovery from Massive Organelle–Host Gene Transfer . . . . . 180
8.8 Mitochondrial Diversification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.9 Conceptual Aspects of Megaevolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.10 Relative Genomic Contributions of the Two Partners . . . . . . . . . . . . . 188
8.11 Genic Scale, Tempo, and Timing of Mitochondrial Enslavement
and Eukaryote Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
9 Constantin Merezhkowsky and the Endokaryotic Hypothesis
VICTOR V. EMELYANOV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
9.2 Modern Hypotheses of Eukaryotic Origin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
9.2.1 Universal Tree and Concept of Archezoa . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
9.2.2 Phylogenetic Analysis and Lateral Gene Transfer . . . . . . . . . . . 207
9.2.3 Canonical Pattern of Mitochondrial Ancestry for
Eukaryotic Genes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
9.3 Chimeric Nature of a Pro-eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3.1 Energy Metabolism of Eukaryotes and the Hydrogen
Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
9.3.2 Non-mitochondrial Origin of Eukaryotic Glycolysis . . . . . . . . 215
9.3.3 Application of the Syntrophy Principle to Fusion Event . . . . . 222
9.4 Mitochondrial Origin and Eukaryogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.4.1 Common Ancestry of Rickettsiae and Mitochondria . . . . . . . . 224
9.4.2 First Steps Towards Organelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
9.4.3 Origin of the True Eukaryote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
9.4.4 Secondarily Amitochondriate Eukaryotes . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
9.4.5 A View of Eukaryogenesis From Geological, Ecological,
and Bioenergetic Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
9.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
10 The Diversity of Mitochondrion-Related Organelles Amongst
Eukaryotic Microbes
MARIA JOSé BARBERà, IÑAKI RUIZ-TRILLO, JESSICA LEIGH, LAURA A. HUG,
ANDREW J. ROGER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.1.1 The Origin of Mitochondria – the Symbiont . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.1.2 The Host: the Rise and Decline of the Archezoa Hypothesis . . 243
10.2 Diversity of Anaerobic Protists with Mitochondrion-Related
Organelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
10.2.1 Parabasalids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
10.2.2 Chytrid Fungi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
10.2.3 Anaerobic Ciliates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
10.2.4 Diplomonads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
10.2.5 Entamoeba and Pelobionts (Archamoebae) . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.2.6 Microsporidia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.2.7 Cryptosporidium (Apicomplexa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
10.2.8 Blastocystis hominis (Heterokonts/Stramenopiles) . . . . . . . . . . 264
10.2.9 Other Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.3 The Origins of Mitochondria, Mitosomes and Hydrogenosomes . . . . 265
10.4 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
11 Mitosomes of Parasitic Protozoa: Biology and Evolutionary Significance
JORGE TOVAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
11.2 Discovery of Mitosomes: a Brief History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
11.2.1 Entamoeba histolytica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.2.2 Trachipleistophora hominis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.2.3 Giardia intestinalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
11.2.4 Cryptosporidium parvum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.2.5 Blastocystis hominis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.3 Mitosome Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.3.1 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
11.3.2 Organelle Biochemistry and Protein Complement . . . . . . . . . . 282
11.3.3 Iron–Sulphur Cluster Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.3.4 Molecular Chaperones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
11.3.5 Adenine Nucleotide Transporters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.3.6 Electron Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.3.7 Other Putative Organellar Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.3.8 Mitosome Biogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.4 Protein Import . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.4.1 Presequence-Dependent Import . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11.4.2 Presequence-Independent Import . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.4.3 Protein Translocases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.4.4 Organelle Division and Inheritance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
11.5 Evolutionary Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
11.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

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