Summary We asked what peptide features govern targeting to the mitochondria versus the chloroplast using antimicrobial peptides as a starting point. This approach was inspired by the endosymbiotic hypothesis that organelle-targeting peptides derive from antimicrobial amphipathic peptides delivered by the host cell, to which organelle progenitors became resistant. To explore the molecular changes required to convert antimicrobial into targeting peptides, we expressed a set of 13 antimicrobial peptides in Chlamydomonas reinhardtii . Peptides were systematically modified to test distinctive features of mitochondrial and chloroplast targeting peptides, and we assessed their targeting potential by following the intracellular localization and maturation of a Venus fluorescent reporter used as cargo protein. Mitochondrial targeting can be achieved by some unmodified antimicrobial peptide sequences. Targeting to both organelles is improved by replacing Lysines with Arginines. Chloroplast targeting is enabled by the presence of flanking unstructured sequences, additional constraints consistent with chloroplast endosymbiosis having occurred in a cell that already contained mitochondria. If indeed targeting peptides evolved from antimicrobial peptides, required modifications imply a temporal evolutionary scenario with an early exchange of cationic residues, and a late acquisition of chloroplast specific motifs.

Abstract Telomeres and subtelomeres, the genomic regions located at chromosome extremities, are essential for genome stability in eukaryotes. In the absence of the canonical maintenance mechanism provided by telomerase, telomere shortening induces genome instability. The landscape of the ensuing genome rearrangements is not accessible by short-read sequencing. Here, we leverage Oxford Nanopore Technologies long-read sequencing to survey the extensive repertoire of genome rearrangements in telomerase mutants of the model green microalga Chlamydomonas reinhardtii . In telomerase mutant strains grown for ∼700 generations, most chromosome extremities were capped by short telomere sequences that were either recruited de novo from other loci or maintained in a telomerase-independent manner. Other extremities did not end with telomeres but only with repeated subtelomeric sequences. The subtelomeric elements, including rDNA, were massively rearranged and involved in breakage-fusion-bridge cycles, translocations, recombinations and chromosome circularization. These events were established progressively over time and displayed heterogeneity at the subpopulation level. New telomere-capped extremities composed of sequences originating from more internal genomic regions were associated with high DNA methylation, suggesting that de novo heterochromatin formation contributes to restore chromosome end stability in C. reinhardtii . The diversity of alternative strategies to maintain chromosome integrity and the variety of rearrangements found in telomerase mutants are remarkable and illustrate genome plasticity at short timescales.

Abstract Mitochondria and chloroplasts emerged from primary endosymbiosis. Most proteins of the endosymbiont were subsequently expressed in the nucleo-cytosol of the host and organelle-targeted via the acquisition of N-terminal presequences, whose evolutionary origin remains enigmatic. Using a quantitative assessment of their physico-chemical properties, we show that organelle targeting peptides, which are distinct from signal peptides targeting other subcellular compartments, group with a subset of antimicrobial peptides. We demonstrate that extant antimicrobial peptides target a fluorescent reporter to either the mitochondria or the chloroplast in the green alga Chlamydomonas reinhardtii and, conversely, that extant targeting peptides still display antimicrobial activity. Thus, we provide strong computational and functional evidence for an evolutionary link between organelle-targeting and antimicrobial peptides. Our results support the view that resistance of bacterial progenitors of organelles to the attack of host antimicrobial peptides has been instrumental in eukaryogenesis and in emergence of photosynthetic eukaryotes.