WikiDer > Chloroplasten-DNA
Es Chloroplasten-DNA, abgekürzt als cpDNA, ist ein kleines Rundschreiben DNA-Molekül das geschieht frei im stroma von a Chloroplasten.[1] Seine Existenz wurde erstmals 1962 nachgewiesen.[2] Mittels DNA-Sequenzierung 1986 wurde die Nukleotidsequenz der Chloroplasten-DNA von a . abgeleitet Lebermoose und Tabakpflanze bestimmt.[3] Seitdem wurden die cpDNA-Sequenzen von Hunderten von Pflanzenarten bestimmt, hauptsächlich von Samenpflanzen und einige Algenarten.[ein]
Die vergriffen der Chloroplasten scheinen bei Pflanzenarten sehr ähnlich zu sein; Sie haben während der Evolution wenig Mutationen entwickelten. Dadurch eignen sie sich hervorragend für die phylogenetische Forschung. Die cpDNA ist relativ leicht aus dem Chloroplasten zu isolieren, da oft mehrere cpDNA-Moleküle im Stroma vorhanden sind. Die genaue Anzahl der Kopien hängt vom Entwicklungsstadium ab. Mesophyllzellen in jungen Blättern kann bis zu 100 Kopien des Genoms enthalten.
Die Chloroplasten-DNA ist ein starker Hinweis auf die Theorie der Endosymbiose. Nach der Endosymbiose-Theorie waren Chloroplasten ursprünglich Photosynthese betreiben Prokaryoten die in einer angestammten eukaryotischen Zelle leben. Beide haben sich angepasst zusammen leben. Die cpDNA, wie sie heute in Chloroplasten gefunden wird, ist der der prokaryotischen Vorfahren sehr ähnlich: Sie sind klein, kreisförmig und bilden keine komplexen Strukturen wie Chromatin. Die cpDNA kodiert für eine große Sammlung von Proteinen, organischen Verbindungen und funktioneller RNA, die hauptsächlich an der Photosynthese.[B] Viele der Gene sind in Clustern organisiert (Operons). Die Transkription dieser Operons liefert große polycistronische mRNA-Transkripte, die später prozessiert werden Teilt in oligo- oder monocistronischen mRNAs. Diese Art der Genexpression findet sich nur in Bakterien.
Molekulare Struktur
Das genetische Material von Chloroplasten ist im Chloroplasten frei und zirkulär (kovalent geschlossener Ring). Es besteht normalerweise aus 120.000 bis 170.000 Basenpaare, das entspricht 120–130 Gene. Dies sind nur geringe Zahlen im Vergleich zu den Genomen vieler heute lebender Bakterien sowie den Genomen ihrer cyanobakteriellen Vorfahren.[5] Ein cpDNA-Molekül hat im Durchschnitt einen Umfang von 30–60 Mikrometern und eine Molekülmasse von 80–130 Millionen Dalton.[6]
Die meisten Chloroplasten organisieren ihr Genom in einem ringförmigen DNA-Molekül. Eine Ausnahme hiervon ist die cpDNA des Dinoflagellaten, dessen Genom in vierzig kleinen Plasmide geteilt, jeweils 2.000 bis 10.000 Basenpaare lang. Diese Miniplasmide enthalten nur 1 bis 3 Gene,[4] es wurden aber auch "leere" Plasmide gefunden, die keine kodierende DNA tragen.
Chloroplasten in jungen Blättern enthalten etwa hundert Kopien ihres Genoms. Bei älteren Blättern sinkt diese Zahl auf 50–20 Exemplare. Die cpDNA-Ringe sind normalerweise in sogenannten Nukleoide. Ein Chloroplast enthält mehrere Nukleoide, die zufällig über die stroma.[C] Die cpDNA der Nukleoide ist nicht um echtes gewickelt Histone,[8] aber bei einigen Rotalgen wurden histonähnliche Proteine entdeckt, die die DNA etwas zusammenhalten.[7]
Invertierte Wiederholungen
Die Chloroplasten-DNA der meisten Pflanzen besteht aus vier verschiedenen Regionen. Zwei invertierte Wiederholungen (IRs) 20.000–28.000 Basenpaare lang teilen den Rest der DNA in a großes EinzelexemplarRegion (LSC) von 80.000–90.000 Basenpaaren Länge und a kleines EinzelexemplarRegion (SSC) von 16.000–27.000 Basenpaaren Länge.[9] Die invertierten Wiederholungen variieren in der Länge, je nachdem, welcher Organismus untersucht wird. In Pflanzen haben invertierte Wiederholungen oft eine Länge von 20.000 bis 25.000 Basenpaaren. Die invertierten Wiederholungsregionen enthalten normalerweise drei ribosomale RNA-Gene und zwei tRNAGene. Sie können aber auch größer sein und bis zu 150 Gene enthalten.[4]
Lineare Struktur
Chloroplasten-DNA wird von Biologen im Allgemeinen als ringförmig angesehen, aber einige Untersuchungen deuten darauf hin, dass cpDNA auch eine lineare Form annehmen kann.[10] wie die chromosomale DNA in Eukaryoten. Mehr als 95 % der cpDNA in Mais-Chloroplasten wurde entdeckt, dass sie keine einzelnen Ringe sind, sondern eine verzweigte lineare Form.[4]
DNA Replikation
Der Weg der Chloroplasten-DNA repliziert ist noch nicht ganz aufgeklärt. Seit den 1970er Jahren versuchen Forscher, den Replikationsprozess anhand von Elektronenmikroskopie.[11][12] Die Ergebnisse dieser Studien weisen darauf hin, dass die cpDNA über ein sogenanntes Doppel repliziert D-Schleife (Verschiebungsschleife). Die Replikation beginnt an einem bestimmten Replikationsstartpunkt, dem Punkt, an dem sich die doppelsträngige DNA trennt. Dort öffnen sich mehrere Replikationsgabeln, die es der Replikationsmaschinerie ermöglichen, die DNA zu kopieren.
Das oben beschriebene Modell wird dadurch gestützt, dass in der cpDNA viele Desaminierung von Nukleotiden auftritt.[11] Deamination ist der Prozess, bei dem a Aminogruppe wird aus einem Molekül entfernt, was zur Änderung einer stickstoffhaltigen Base in den cpDNA-Nukleotiden führt. Wird beispielsweise Adenin desaminiert, wird es zur speziellen Base Hypoxanthin. Hypoxanthin kann Basenpaare mit Cytosin, und wenn dieses Cytosin repliziert wird, gibt es a C–gBasenpaar gebildet. Beispielsweise wird ein Adenin durch Desaminierung zu einem Guanin (A → G) mutiert.
DNA ist nur anfällig für eine Desaminierung, wenn sie einzelsträngig ist. Wenn Replikationsgabeln entstehen, sind die DNA-Stränge für einige Zeit einzelsträngig. Die Nukleotide sind dann für eine gewisse Zeit anfällig für eine Desaminierung. Da die DNA während der Replikation wieder in einer glatten Linie doppelsträngig wird, entsteht ein "A → G"-Gradient in Richtung des Replikationsursprungs. Der höchste Desaminierungsgrad tritt wahrscheinlich am nächsten zum Replikationsursprung auf, da diese Nukleotide die längsten einzelsträngigen waren. Eine zweite Theorie hingegen geht von einem linearen cpDNA-Molekül aus, das sich mittels homologe Rekombination.[13] Diese Theorie erhält weniger Unterstützung, weil sie nicht erklärt, warum die Chloroplasten-DNA "A → G"-Gradienten enthält.
Genetischer Inhalt
Das Chloroplastengenom kodiert etwa 100 verschiedene Proteine und RNA-Moleküle.[14][15] Die in Chloroplasten produzierten Proteine sind an der Photosynthese beteiligt (Fotosysteme, Cytochrome und ATP-Synthetase), und mit Transkription (RNA-Polymerase) und Übersetzung (tRNA und r Proteine). Die Gene sind organisiert in Operons, wie in Prokaryoten. Im Gegensatz zu anderen prokaryontischen Genomen enthält es cpDNA Introns. So sind Introns im mitochondriale DNA eine Seltenheit in vielen Organismen.[16]
Die cpDNA von Landpflanzen kodiert vier rRNA-Moleküle, 30 bis 31 tRNA-Moleküle, 21 ribosomale Proteine und vier Untereinheiten von RNA-Polymerase, alle beteiligt an der Proteinsynthese, die im Stroma auftritt.[17] Die Ribosomen von Chloroplasten sind denen von Prokaryonten sehr ähnlich.[18] Die Chloroplasten-DNA kodiert auch für 28 Thylakoidproteine, Ein RubiscoUntereinheit und für Proteinkomplexe, die an der Elektronentransportkette, Ähnlich zu NADH-Dehydrogenase.[19]
Ein großer Teil der im Chloroplasten vorhandenen Proteine wird nicht von der Chloroplasten-DNA kodiert, sondern von der Ader- DNA. Von den etwa 3000 verschiedenen Proteinen, die in Chloroplasten vorkommen, werden etwa 95 % von . kodiert chromosomale Gene (Gene aus dem Zellkern). Nichtsdestotrotz ist die cpDNA für die Expression richtig funktionierender Chloroplastenkomponenten essentiell. Proteinkomplexe in Chloroplasten bestehen aus: Untereinheiten abgeleitet von sowohl der cpDNA als auch der Wirtszell-DNA. Die Proteinsynthese zwischen Chloroplast und Zellkern muss daher streng koordiniert werden. Die Kontrolle erfolgt in der Regel aus dem Zellkern heraus: Signalmoleküle aus dem Zellkern regulieren die Genexpression der cpDNA. Chloroplasten können jedoch auch Signale liefern, die die Genexpression im Zellkern regulieren. Das nennt man retrograde Signalisierung.[20]
Gentransfer
Im Laufe der Evolutionsgeschichte der Chloroplasten wurden DNA-Fragmente aus dem Chloroplasten-Genom auf die Kern-DNA des Wirtszelle,[2][21] ein Prozess namens endosymbiotischer Gentransfer. Dadurch wird die Genomgröße des Chloroplasten im Vergleich zu frei lebenden . stark reduziert Cyanobakterien. Chloroplasten enthalten oft 60–100 Gene, während Cyanobakterien oft mehr als 1500 Gene in ihrem Genom tragen.[22] Nur wenige Fälle von Gentransfer sind bekannt böse der Chloroplast.[23][24]
Der endosymbiotische Gentransfer hat die Evolution von Chromalveolata: Organismen, die Nachkommen der . sind sekundäre Endosymbiose zwischen a rote Algen und ein bikont. Viele dieser Organismen haben irgendwann in der Evolutionsgeschichte der Symbiose ihre Chloroplasten verloren. Was jedoch nicht verloren gegangen ist, sind die Gene, die der Chloroplast auf den Wirt übertragen hat. Diese Gene liefern Beweise für die Existenz eines Chloroplasten in einem ehemaligen endosymbiotischen Stadium. So zeitgemäß Kieselalgen über einen Chloroplasten aus Rotalgen, aber die DNA im Kern der Kieselalge enthält Gene, die aus Grünalgen-Chloroplasten stammen. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Vorfahren-Diatomeen einen Grünalgen-Chloroplasten aufgenommen hatten, der erst später durch Rotalgen-Chloroplasten ersetzt wurde.[25]
In Landpflanzen können 11–14% der Kern-DNA genetisch auf das Chloroplastengenom zurückgeführt werden.[26] In Arabidopsis das sind sogar 18%, was 4500 proteinkodierenden Genen entspricht.[27] In jüngster Zeit sind nur wenige Fälle bekannt, in denen die Chloroplasten-Gene auf das Kerngenom von Landpflanzen übertragen wurden.
Verarbeitung von RNA
Die cpDNA befindet sich im Chloroplasten transkribiert zu einem mRNA-Molekül. Diese mRNA wird, bevor sie übersetzt wird an ein Protein geschickt, das im Stroma verarbeitet wird (Verarbeitung). Nukleotide werden hinzugefügt (Insertion), entfernt (Deletion) und ersetzt (Substitution). Das Stroma des Chloroplasten ist ein extrem oxidativ Umgebung, was die Wahrscheinlichkeit von Mutationen in der mRNA erhöht. Die RNA-Prozessierung wird verwendet, um diese Mutationen zu reparieren und funktionelle Sequenzen zu erhalten. Dies beinhaltet häufig die Wiederherstellung eines Stopp- oder Startcodons.[28]
Der Mechanismus der RNA-Editierung ist noch nicht vollständig aufgeklärt. Die Forschung legt nahe, dass Hunderte von verschiedenen PPR-Proteinen (aus dem Kerngenom) an der Verarbeitung von RNA in Plastiden beteiligt sind. Diese Proteine bestehen aus 35 Aminosäuren und binden an die cis-Seite des mRNA-Transkripts.[28] Untere Landpflanzen wie Lebermoose, Moose und Farne haben Hunderte von verschiedenen Stellen in ihrer RNA, an denen die RNA-Verarbeitung stattfinden kann. Höhere Pflanzenarten haben normalerweise dreißig bis vierzig. Parasitäre Pflanzen wie z Epiphagus virginiana haben die RNA-Verarbeitung verloren und können daher keine Photosynthese durchführen.[29]
Proteintransport und -regulation
Siehe auch ProteinlokalisierungDer Transfer von Genen von der cpDNA auf die nukleäre DNA hat dazu geführt, dass viele Proteine in den Chloroplasten benötigt werden übersetzt im Zytoplasma platziert werden. Das bedeutet, dass diese Proteine gezielt zum Chloroplasten transportiert werden müssen, wo sie mindestens zwei Chloroplastenmembranen wird bestehen.[30] Während der Endosymbiose von Chloroplasten besaß die Zelle bereits Mitochondrien und Peroxisomen, was dem Chloroplasten seine eigenen gibt Proteinlokalisierungssystem entwickeln musste.[30]
Während der Evolution von Chloroplasten haben viele Proteine, die durch übertragene cpDNA-Gene kodiert werden, ihre Funktion verändert. Sie engagieren sich zum Beispiel in der Zellteilung und mobil Verteidigung. Einige werden zu einem geführt sekretorischer Weg.[22] Es sollte beachtet werden, dass einige Chloroplasten sekundäre Endosymbiose umgeben sein von a Zellmembran die noch aus der Wirtszelle stammt, und somit topologisch außerhalb der Zelle zu sehen ist, und um zu diesem Chloroplasten zu gelangen, muss das Protein daher eine Zellmembran passieren. In einer solchen Situation folgen die Proteine einem sekretorischen Weg, genauso wie sie es tun, wenn sie in die extrazelluläre Matrix würde gehen.[31]
N-terminale Transitsequenzen
Polypeptide, lange Ketten von Aminosäuren, werden nach der Translation zu funktionellen Proteinen gefaltet. Die beiden Enden des Polypeptids werden als bezeichnet N-Terminus (das Aminoende) und das C-Terminus (das Carboxylende). Viele im Zellkern kodierte Chloroplastenproteine sind Signalpeptide (spaltbare Transitpeptide) an den N-Terminus des Polypeptids gebunden, das von Transportern erkannt werden kann. Sie tragen das synthetisierte Protein zum Chloroplasten.[30][32] Die Transitsequenzen heißen auch Präsequenzen genannt, weil sie sich am "vorderen" Ende eines Polypeptids befinden.[D]
Die den Polypeptiden hinzugefügten Transitsequenzen variieren stark in der Länge:[32] sie können 20 bis 150 Aminosäuren lang sein.[30] Diese ungewöhnlich lange Länge legt nahe, dass Transitpeptide aus mehreren Domänen mit verschiedenen Funktionen. Transitpeptide sind normalerweise positiv geladen und reich an hydroxylierten Aminosäuren wie Serin, Threonin und prolin, und enthalten wenige saure Aminosäuren wie Asparaginsäure und Glutaminsäure.[30]
Nicht alle Chloroplastenproteine haben eine an ihre Kette angefügte N-terminale Transitsequenz.[30] In einigen befindet sich das Signalpeptid bereits im funktionelle Struktur des Proteins selbst. Andere erhalten ihre Transitsequenz direkt am C-Terminus.[33] Die meisten der untersuchten Proteine, die keine Transitsequenzen enthalten, werden an die äußere Membran des Chloroplasten geschickt.[30]
Siehe auch
Nüsse
Verweise
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