МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2003, том 37, № 5, с. 768-783
== ОБЗОР
УДК 576.315.42
ГЕНОМ ПЛАСТИД ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ВОДОРОСЛЕЙ:
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
© 2003 г. М. С. Одинцова, Н. П. Юрина*
Институт биохимии им. АН. Баха Российской академии наук, Москва 119071 Поступила в редакцию 25.02.2003 г.
Рассмотрены данные о структуре и генах полностью секвенированных пластидных (преимущественно хлоропластных) геномов высших растений и водорослей. У высших растений структура генома и состав генов высококонсервативны. Геномы пластид водорослей менее консервативны и содержат ряд уникальных генов, не встречающихся в хпДНК высших растений. Геномы пластид кодируют белки, участвующие в транскрипции и трансляции, а также белки, связанные с фотосинтезом и фотосинтетическим метаболизмом. Кратко обсуждаются вопросы происхождения и эволюции пластид. Приведены данные, опубликованные, в основном, до второй половины 2002 г. При написании обзора использована информация, представленная в базах данных ООМР (http:llmegasun.bch.umontre-al.calogmplprojectslotherlcp_list.html) и КСЫ (www.ncbi.nlm.nih.gov).
Ключевые слова: хлоропласты, геном, структура, функции, водоросли, высшие растения.
Пластиды - специфические органеллы растительных клеток, которые обладают собственной генетической системой. Пластиды фотосинтези-рующих клеток - хлоропласты - содержат также все необходимое для осуществления процесса фотосинтеза. Обнаружение уникальных ДНК в хло-ропластах привело к интенсивному изучению структуры и функций геномов этих органелл. Молекулы хлоропластной ДНК (хпДНК) стали одним из первых объектов секвенирования, поскольку они имеют сравнительно небольшой размер и простую структуру. К настоящему времени секвенированы пластидные ДНК 25 видов высших растений и водорослей. Получена интересная информация о функциях и эволюции пластидного генома. Составленный на основе базы данных КСВ1 перечень организмов, пластом которых секвени-рован полностью, приведен ниже.
Alveolata
Toxoplasma gondii
Cryptophyta
Guillardia theta
Euglenozoa
Astasia longa
Euglena gracilis
Glaucocystophyceae
Cyanophora paradoxa
Rhodophyta (красные водоросли)
* Эл. почта: nyurina@inbi.ras.ru
Bryophyta (моховидные) Anthoceros formosae Marchantia polymorpha Psilophyta (псилофиты) Psilotum nudum Coniferophyta (хвойные) Pinus thunbergii Anthophyta (цветковые) Arabidopsis thaliana Atropa belladonna
Cyanidium caldarium
Porphyra purpurea
Stramenopiles
Odontella sinensis
Chlorophyta (зеленые водоросли)
Chaetosphaeridium globosum Chlamydomonas reinhardtii Chlorella vulgaris Mesostigma viride Nephroselmis olivaceae
Epifagus virginiana Lotus japonicus Medicago truncatula Nicotiana tabacum Oenothera elata subsp.hookeri
Oryza sativa Spinacia oleracea Triticum aestivum Zea mays
ГЕНОМ ХЛОРОПЛАСТОВ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ
Хлоропласты высших растений содержат множество идентичных кольцевых двутяжевых молекул ДНК, размеры которых колеблются по разным данным от 120 до 160 и от 120 до 220 т.п.н. [1, 2]. В популяции молекул хпДНК, полученной при лизисе хлоропластов, преобладают мономерные кольцевые молекулы (~60% всех кольцевых молекул у табака). Встречаются олигомерные формы, представляющие собой конкатемеры, соединенные по принципу голова к хвосту, которые могут образоваться в результате рекомбинации и(или) репликации ДНК. Обнаружены также нетипичные молекулы, предполагаемые реплика-тивные интермедиаты. Таким образом, геном хлоропластов пластичен и существует в клетке в виде гетерогенной по размерам и конформации популяции молекул ДНК [3]. В 1986 г. впервые
Таблица 1. Структура некоторых полностью секвеннрованных геномов хлоропластов высших растений [1]
Вид растения
Размер ИП, п.н. Число Число Число сайтов
хпДНК, п.н. генов интронов редактирования
Oryza sativa Zea mays
134525 140387
Triticum aestivum* 134540
Nicotiana tabacum 155939
Spinacia oleracea 150725
Arabidopsis thaliana 154478
Oenothera elata ssp. hookeri 159443
Lotus japonicus 150519
Epifagus virginiana** 70028
Medicago truncatula 124033
Pinus thunbergii 119707
Psilotum nudum 138829
Marchantia polymorpha 121024
Однодольные 20799 22748 Двудольные 20702 25341 25073 26264 27807 25156 19799
Голосеменные 495
Папоротники 18954 | Моховидные 10058 I
110 110
110 113 113 113 112 111 42
108 118
122
18/16 18/16
18/16 21/18 20/17 21/18 19/17 21/18 8/6
16/14 19/17 20/18
21/11 27/14
28/21 31/16 22/21 19/21 28/21
26/12
0/0
* По уточненным данным [7] размер хпДНК пшеницы составляет 134545 п.н., длина ИП - 20703 п.н. ** Нефотосинтезирующее паразитическое растение. *** Сайты редактирования обнаружены экспериментально. Число их неизвестно. Косые линии разделяют число интронов и интрон-содержащих генов, а также число сайтов редактирования и транскриптов.
определили полную нуклеотидную последовательность хпДНК табака [4] и печеночника Marchantía polymorpha [5], а несколько позднее - риса [6]. Структуру, состав и порядок расположения генов в хпДНК табака считают наиболее типичной для высших растений. Считается, что она отражает черты хпДНК предков высших растений.
Характерная особенность хпДНК высших растений - инвертированный повтор (ИП), длина которого в среднем составляет 20-30 т.п.н. и варьирует у разных видов от 5 до 76 т.п.н. В результате гены, локализованные в ИП, в геноме хлоропластов дуплицированы. Различия в размере хпДНК высших растений связаны, в большинстве случаев, с различиями в длине ИП (табл. 1) [7]. Необычно большой размер хлоропластного генома герани Pelargonium hortorum - 217 т.п.н. - связан, в основном, с длинным ИП, состоящим из 76 т.п.н. [8]. Исключением являются хпДНК некоторых бобовых и хвойных, которые не содержат ИП. Предполагают, что ИП присутствовал у общего предка высших растений. У ряда видов в процессе эволюции один сегмент ИП был утрачен, в некоторых случаях частично, и хлоропластный геном сохранил остатки большого ИП (например, у черной сосны 495 п.н.) (табл. 1). Сегменты ИП делят хпДНК на большой и малый уникальные участки
(LSC и SSC соответственно). У некоторых видов растений, по сравнению с хпДНК табака, сегменты ИП сдвинуты в сторону уникальных последовательностей. В результате гены, которые в маркерной ДНК локализованы в уникальных участках генома, оказываются частично в сегментах ИП - ИПА и ИПВ. Так, в геномах хлоропластов Arabidopsis thaliana [9] и Lotus japonicus [10] ген rps19 частично входит в ИПВ и частично в LSC, а ген ndhF - в ИПВ и SSC. В геноме хлоропластов табака оба эти гена находятся в уникальных участках.
При сравнении структуры хпДНК лобелии (Lobelia thuliniana) и маркерной хпДНК табака обнаружено, что часть ИП лобелии (около 11 т.п.н) сдвинута в сторону SSC. Эта особенность структуры хпДНК характерна для всех изученных членов семейств Lobeliaceae, Cyphiaceae и Campanulaceae. В то же время у представителей рода Sphenoclea ИП локализован так же, как в хпДНК табака. По мнению авторов, эти данные дополнительно доказывают необходимость исключения указанного рода из семейства Campanulaceae [11].
Структурная организация хпДНК высших растений консервативна. Наиболее консервативная часть молекулы - ИП, который, как правило, со-
держит гены всех рРНК и двух тРНК (тРНКПб (GAU) и TPHKAla (UGC)). Нуклеотидные последовательности ИП дивергируют в 2-3 раза медленнее, чем последовательности, локализованные в уникальных участках. Повторы придают стабильность хлоропластному геному, препятствуя рекомбинации. Наиболее вариабельная часть молекулы - большая уникальная последовательность. Хотя хпДНК высших растений представляет собой устойчивую генетическую систему, однако в процессе эволюции растений в ней происходили определенные изменения. Секвени-рование хлоропластных геномов высших растений позволило обнаружить инверсии, транслокации, инсерции/делеции даже у рoдственныx видов, идентифицировать "горячие точки" мутаций. Так, при сравнении структуры хлоропластного генома Oenothera elata [12] и хпДНК нескольких видов двудольных: табака [4], A. thaliana [9] и шпината [l3] установили, что основное отличие состоит в том, что хпДНК Oenothera содержит в LSC большую инверсию длиной 54 т.п.н. между генами ac-cD и rps16. Геном хлоропластов шпината, сохраняя типичную для хпДНК высших растений четы-рехчастную структуру, короче хпДНК табака на 5214 п.н. Это связано, в основном, с более короткими межгенными участками в сегментах ИП, а также между генами вдоль всего генома. В LSC генома хлоропластов Lotus japonicus обнаружена инверсия 51 т.п.н., простирающаяся от гена rbcL до гена rps16. Такая же инверсия есть в хпДНК сои. Это позволяет предполагать, что она характерна для бобовых [10].
Сравнение структуры хлоропластного генома нескольких видов однодольных растений позволило выявить характерные особенности хпДНК злаков (отсутствие интрона в гене rpoC1, инсер-ция в гене rpoC2, делеция открытой рамки считывания (ОРС)2280 в ИП, транслокация гена rpl23, перестройки ОРС512). По-видимому, у пред-ка(ов) злаков изменения структуры хпДНК возникли одновременно [7, 14]. Таким образом, изменения структуры хпДНК могут служить филогенетическими маркерами.
Сильно измененный хлоропластный геном обнаружен у Trachelium caeruleum (Campanulaceae). В хпДНК этого растения идентифицированы от 7 до 10 инверсий, одна-две транспозиции, инсерции/делеции, несколько семейств диспергированных повторов, которых обычно нет в геномах хлоропластов высших растений, и другие особенности, что приводит к изменению расположения генов, их ориентации и состава. В результате геном хлоропластов T. caeruleum радикально отличается от хлоропластного генома табака [2].
По составу и порядку расположения генов хло-ропластные геномы высших растений высококонсервативны [15, 16]. хпДНК высших растений
содержат гены всех видов рРНК, большинства тРНК пластид, субъединиц (СЕ) РНК-полимера-зы, гены многих рибосомных белков и ряда факторов трансляции. Кроме того, они кодируют компоненты фотосинтетического аппарата, включая большую СЕ рибулозодифосфаткарбоксила-зы/оксигеназы (РДфК), фотосистемы I и II (ФС1, ФСП), комплексы цитохромов b/f и АТР-
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.