Генетика пластид

Это предположение подтверждается рядом фактов, полученных при сравнительном изучении геномов пластид у представителей различных таксономических групп растений.

Так, например, если сравнивать геном пластид водорослей и наземных растений, то оказывается, что они различаются между собой по наличию гена, кодирующего белковый фактор элонгации хлоропластов. У водорослей этот ген находится в геноме пластид, тогда как у всех наземных растений совершенно идентичный ген обнаруживают в геноме ядра. Объяснить этот феномен можно только как перенос данного гена из пластидного генома в одну из хромосом ядра. Это событие произошло, вероятно, около 400 миллионов лет назад, и может быть, именно благодаря ему улучшились интегративные взаимодействия между ядерным и хлоропластным геномами, что, возможно, и привело к возникновению высших растений.

Второй пример. Если сравнивать хлоропластный геном бобовых растений и всех других видов, то оказывается, что у бобовых один из генов, кодирующих рибосомальный белок хлоропластов, ген rр122 находится в ядерном геноме, тогда как у других высших растений этот ген содержится в хлоропластном геноме. Может быть, именно благодаря переносу пластидного гена в ядерный геном примерно 75 миллионов лет назад и возник предок бобовых растений, давший столь полезные для человечества виды, способные в симбиозе с клубеньковыми бактериями обогащать почву азотом?

Прокариоты и пластиды имеют сходные 70S, а не 80S рибосомы, почти идентичные последовательности рибосомальной и транспортной РНК, у них отсутствуют полиадениловые последовательности на матричной РНК. Т.е. многие свойства пластидного генома и его белоксинтезирующего аппарата проявляют большое сходство с таковыми у прокариот. Рибосомы также являются продуктом двойного кодирования. Часть их белков и РНК кодируется хп ДНК, в то время как другая часть - ядерной.

Несмотря на большое сходство пластидного генома с прока-риотическим, ряд признаков делает геном пластид похожим и на эукариотический. Так, в геномах хлоропластов показано наличие интронов. Сначала они были найдены в последовательностях хпДНК у кукурузы, табака, сои, а затем и в хлоропластах, как водорослей, так и почти всех наземных растений. Хлоропластный геном Euglena gracilis содержит до 50 интронов. Наличие интронов во многих кодирующих белок генах демонстрирует значительное сходство генома пластид с эукариотами. Однако ДНК пластид не связана с гистонами, является кольцевой молекулой, и она близка по количественному содержанию к геному бактериальной клетки или к геному синезеленых водорослей. Синезеленые водоросли, которые считаются предками хлоропластов и содержат много с ними общих генетических последовательностей, интронов не имеют так же, как и другие прокариоты. Исключение составляют только архибактерии.

Некоторые из выявленных в хлоропластном геноме интронов обладают транспозонными свойствами.

Естественно, что если многие хлоропластные гены содержат интроны, то имеют место и посттранскрипционные процессы, такие, как процессинг и сплайсинг. Эти процессы играют очень важную роль в экспрессии хлоропластных генов, пластидном биогенезе, дифференцировке тканей, реакции растений на изменение окружающей среды.

Сравнительно недавно в пластидах был обнаружен еще один генетический механизм, так называемое РНК редактирование. При этом, как оказалось, модифицируются практически все кодирующие районы в матричной РНК, элиминируются инициирующие и терминирующие кодоны, заменятся обычно цитозин на урацил (изредка происходит и обратный процесс), В результате изменяется консервативный порядок аминокислот в молекуле белка и самое интересное заключается в том, что при этом возникает по настоящему функциональный белок. Было показано, что транслируются как редактированные, так и нередактированные матричные РНК, но полноценный в функциональном отношении фермент возникает только с редактированных матричных РНК.

Биологическое значение РНК редактирования было эффектно продемонстрировано путем введения сайта редактирования из генома пластид шпината в пластиды табака. В результате неправильного редактирования матричной пластидной ДНК появился фенотип, воспроизводящий фотосинтетический мутант с полной неспособностью к фотосинтезу.

Кроме того, демонстрация тканеспецифичности процесса редактирования показывает, что в одних тканях растения происходит частичное редактирование мРНК, в других - полное, что вероятно приводит к созданию из одной генетической последовательности разных генных продуктов, которые нужны для дифференцировки клеток и тканей.

Хлоропластные геномы имеют три типа промоторов.

Один из них сходен с типично прокариотическим промотором и узнаваем РНК-полимеразой, кодируемой геномом пластид.

Второй узнается исключительно только РНК-полимеразой, кодируемой ядром.

Третий промотор активируется светом. (Он обнаружен пока только для одного из фотосинтетических генов пластид кукурузы.)

Интересно, что и пластидная ДНК-полимераза достаточно высоко гомологична с ДНК-полимеразой кишечной палочки и других прокариот, однако только три ее субъединицы кодируются пластидным геномом, тогда как важный для ее функционирования сигма-фактор кодируется ядром клетки. Вероятно, именно мутация в этой ядерной последовательности и приводит к возникновению генов пластидных мутаторов.

У растений паразитов, утративших способность к фотосинтезу, в пластидном геноме возникли обширные делении, затронувшие и гены всех трех субъединиц пластидной РНК-полимеразы. Однако пластиды у этих растений существуют, и они производят разнообразные генные продукты. Вероятно, этот факт свидетельствует о том, что ядерная РНК-полимераза способна участвовать в процессах синтеза пластидной РНК.

Таким образом, еще раз подчеркнем, что генетическая система пластид несёт в себе черты сходства как с геномом клеток прокариот, так и с геномом эукариотических клеток. В то же время некоторые черты организации и экспрессии пластидного генома имеют ряд особенностей, что может быть связано с уникальной ролью этих органелл в растительной клетки.

Прокариотические черты организации генома пластид

1. Геном пластид представлен кольцевыми "хромосомами" также как и геном клеток прокариот.

2. Белки основного характера, ассоциированные с пластидной ДНК в "хромосоме", сходны с гистоноподобными белками эубактерий.

3. Надмолекулярная структура генома пластид и бактерий также сходна. В обоих случаях ДНК, связанная с белками, образует компактные структуры - нуклеоиды, морфология которых очень близка в пластидах и клетках прокариот.

4. И в пластидах, и в эубактериях "хромосомы" закреплены на мембранах.

5. Многие гены пластид гомологичны генам соответствующим генам клеток E. сoli, т.е. обнаруживают сходство по нуклеотидной последовательности.

6. Регуляторные элементы транскрипции сходны в пластидах и прокариотических клетках. Для пластидных генов характерен прокариотический тип промоторных последовательностей, обнаруживающих значительную гомологию с таковыми в клетках E. сoli (-10- и -35- блоки).

7. Промоторы соседних генов в клетках E. сoli часто регулируются вместе и не функционируют порознь. То же самое наблюдается в пластидах. Так, гены субъединиц двух ключевых ферментов фотосинтеза, катализирующих синтез АТФ и фиксацию СО2 (atpB и rbcL), в геноме пластид расположены рядом. Промоторы этих генов также не функционируют независимо. Предполагают, что взаимодействие между близко расположенными промоторами, является общим контрольным механизмом транскрипции пластидных генов.

8. У некоторых генов пластид наблюдается перекрывание трансляционных стоп/старт - сайтов (ген psbS, например, перекрывается с геном psbD, ndh3, сpsbG), что также характерно для прокариотических генов.

9. Большинство пластидных генов образуют опероны и траскрибируются в полицистронные мРНК, причём некоторые опероны пластид по структуре очень сходны с оперонами E. сoli (опероны рРНК, опероны рибосомных белков, сходные с оперонами str, S10, spc и -клеток E. сoli, а также опероны субъединиц АТР-азного комплекса).

10. За небольшим исключением, мРНК пластид на 3/-конце содержат инвертированные последовательности, которые потенциально могут образовывать структуры типа стебель - петля. Показано, что последовательность CUUCGG, находящаяся в петле такого обращенного повтора на 3/-конце мРНК гена psbA шпината, определяет стабильность мРНК. Такие же последовательности в петле обращенного повтора характерны для прокариотических организмов и связаны с необычно высокой стабильностью мРНК.

11. В пластидном геноме обнаружены гены, гомологичные генам -, - и /-субъединиц РНК-полимеразы E. сoli. Ген, кодирующий -субъединицу, в геноме пластид не обнаружен, однако, в хлоропластах шпината выявлены полипептиды (90 и 33 кДа), иммунологически родственные -субъединице РНК-полимеразы E. сoli, а аппарат транскрипции хлоропластов горчицы содержит три различных транскрипционных фактора (67, 52 и 29 кДа), сходные с бактериальным -фактором. Предполагают, в условиях in vitro транскрипция в хлоропластах может контролироваться этими факторами. Показано, что они "работают" с РНК-полимеразой E. сoli и фрагментами ДНК, содержащими промоторы хлоропластных генов.

12. РНК-полимераза пластид прекращает синтез РНК на пяти независимых терминаторах транскрипции E. сoli. Два прокариотических терминатора транскрипции: thrA (из E. coli) и hisA (из S. typhimurium) - эффективно узнаются РНК-полимеразой пластид.

Эукариотические черты организации генома пластид

1. Наличие интронов в некоторых пластидных генах.

2. Наличие интронов в пластидных генах указывает на то, что для формирования зрелых молекул мРНК в пластидах действовуют механизмы сплайсинга. В результате экспрессия таких генов пластидной ДНК не может происходить в системе сопряжённой транскрипции - трансляции, как это имеет место в прокариотической клетке.

3. Наличие последовательностей типа ARS (autonomous replicating sequence), аналогичных последовательностям, ответственным за автономную репликацию плазмид у дрожжей.

4. Как и у эукариот, в пластидах наблюдается посттранскрипционное присоединение триплета ССА к 3/-концу тРНК.

Особенности генома пластид и его экспрессии.

1. Полуавтономность и мультикопийность генома.

2. Наличие длинного инвертированного повтора.

3. Наличие интронов, кодирующих белки и некоторые особенности механизма сплайсинга (транс - сплайсинг, автосплайсинг).

4. В транскрипции пластидных генов участвуют как минимум две РНК - полимеразы в отличие от клеток бактерий, где имеется лишь одна РНК-полимераза, и клеток эукариот, где каждый вид РНК считывается специфической РНК - полимеразой.

Знания, накопленные в последние годы об устройстве генома хлоропластов, позволили не только получить много новых сведений, о механизмах реализации генетической информации, но и перейти к реконструкции генетического аппарата этих важнейших органелл клетки, что имеет не только теоретическое, но и практическое значение. В качестве примера можно привести успешный эксперимент по трансформации в геном пластид гена, кодирующего бактериальный токсин, что увеличило уровень устойчивости растений табака к насекомым. Следует отметить, что трансформация этого же гена в ядерный геном табака также обеспечивала экспрессию токсичного для насекомых белка, однако уровень экспрессии в этом случае был в сотни раз ниже. Это объясняется тем, что в клетке листа только одна копия ядерного генома и сотни тысяч копий пластидного. Трансформация новых генов в хлоропласты интересна еще и тем, что пластидные гены наследуются по материнской линии, и будет очень легко сочетать такие гены в линиях и гибридах вместе с любыми ядерными генами.

Литература

Основная

1. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. Физиология растений. Учебник для студ. Вузов. - М.: Академия. 2005. 640 с.

2. Давыденко О.Г. Нехромосомная наследственность. - Минск: БГУ. 2001. 189 с.

3. Даниленко Н.Г., Давыденко О.Г. Миры геномов органелл. - Минск: Техналогия. 2003. 494 с.

4. Иванов В.И. и др. Генетика. М.: Академкнига. 2006. 638 с.

5. Жимулев И.С. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск: Сиб. унив. 2007. 479 с.

6. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. - М.: Мир. 1998. Т. 1-2.

7. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. - М.: Академкнига. 2004. 495 с.

Дополнительная

1. Даниленко Н.Г. РНК-редактирование: генетическая информация корректируется после транскрипции // Генетика. 2001. Т. 37. №3. С. 294-316.

2. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983.

3. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном митохондрий протистов // Генетика. 2002. Т. 38. №6. С. 773-778.

4. Одинцова М. С., Юрина Н. П. Геном пластид высших растений и водорослей: структура и функции // Мол. Биол. 2003. Т. 37. №5. С. 768-783.

5. Юрина Н. П., Одинцова М. С. Общие черты организации генома хлоропластов. Сравнение с геномами про- и эукариот // Мол. Биол. 1992. Т. 36. №4. С. 757-771.

6. Юрина Н.П., Одинцова М.С. Сравнительная характеристика структурной организации геномов хлоропластов и митохондрий растений// Генетика. 1998. Т. 34. №1. С. 5-22.

Размещено на Allbest.ru