From Wikipedia, the free encyclopedia
Plastidová DNA (pDNA) je súhrnné označenie pre DNA nachádzajúcu sa v plastidoch, čiže vo zvláštnych organelách niektorých eukaryotických buniek. Niekedy sa používa aj konkrétnejší termín chloroplastová DNA (cpDNA či ctDNA), ktorý označuje DNA len v chloroplastoch, v plastidoch s pretrvávajúcou fotosyntetickou funkciou. Plastidová DNA tvorí súčasť mimojadrovej dedičnosti, podobne ako mitochondriálna DNA.
U všetkých plastidových DNA ide o pozostatok prokaryotického genómu (nukleoidu) sinice, ktorá bola kedysi v procese eukaryogenézy pohltená eukaryotickou bunkou.[1] Niekedy vznikajú plastidy sekundárnou endosymbiózou, ktoré však obsahujú tiež genóm sinice. Zvláštnosťou u niektorých skupín je tzv. nukleomorf – zvyškový genóm iného eukaryota po sekundárnej endosymbiotickej udalosti.[2] Veľkosť pDNA je veľmi rozmanitá. Redukované plastidové genómy sa nachádzajú najmä u druhov, ktoré stratili svoju fotosyntetickú funkciu.
Plastidy sú špeciálne organely, ktoré sú prítomné v niektorých eukaryotických bunkách, čiže v bunkách so zložitejšou štruktúrou a istou vnútornou hierarchiou. Pôvodnou funkciou plastidov je fotosyntéza, hoci poznáme aj plastidy neschopné fotosyntetizovať. Plastidy sú od zvyšku bunky oddelené niekoľkými membránami a tvoria tak samostatný „kompartment“. Už to, že navyše obsahujú vlastný genóm – teda plastidovú DNA – naznačuje, že plastidy sú do určitej miery nezávislou jednotkou. Preto sa označujú ako semiautonómne organely. Skutočnosť, že sa v plastide nachádza DNA, je pre vedcov veľmi zaujímavá. DNA, čiže deoxyribonukleová kyselina, je totiž prítomná vo všetkých živých organizmoch, kde slúži ako genetický materiál, v ktorom sú vo forme genetického kódu zapísané návody na výrobu všetkých bielkovín v bunke. Skutočnosť, že aj plastidy majú vlastný genóm, hoci nie sú samostatné organizmy, je teda zdanlivo paradoxná. Mnohé štúdie však ukázali, že plastid je zrejme potomkom siníc,[3][4] samostatne žijúcich fotosyntetizujúcich organizmov, ktoré sa kedysi dostali do eukaryotickej bunky a udomácnili sa v nej. Genóm plastidov má s genómom siníc veľa spoločných rysov.
.jpg)
Úvahy o existencii mimojadrovej dedičnosti v plastidoch sa objavovali už v päťdesiatych rokoch dvadsiateho storočia, ale pokusy o izoláciu DNA boli neúspešné. Úspešne dokázali existenciu vlákien plastidovej DNA až v roku 1962 Hans Rise a Walter Plaut z University of Wisconsin v ich štúdii Ultrastructure of DNA-containing areas in the chloroplast of Chlamydomonas, a to v chloroplastoch jednobunkovej riasy rodu Chlamydomonas.[5] V tejto štúdii už bola zmienená hypotéza, že chloroplasty môžu byť potomkami prokaryotických endosymbiontov.[6] O rok neskôr nasledovali v rýchlom slede správy o izolácii plastidovej DNA z najrôznejších rastlín.[5] Ďalším úspechom vedy bola sekvenácia kompletného chloroplastového genómu. Prvýkrát sa tak stalo u pečeňovky porastnice mnohotvárnej (Marchantia polymorpha).[7] Dodnes bolo osekvenovaných viac než 150 plastómov (plastidových genómov).[8]
Chloroplastová DNA má niektoré vlastnosti, ktoré uľahčujú jej využitie na rôzne štúdiá v molekulárnej biológii. Tento genóm je totiž pomerne malý, prítomný v mnohých kópiách a pomerne dobre preštudovaný. Navyše pomerne pomaly mutuje a má mnoho zvláštností, ktoré robia jeho výskum zaujímavý napríklad pre evolučných či molekulárnych biológov.[9]
Sekvenácia DNA z plastidov dnes pomáha vedcom odhaľovať napríklad evolúciu eukaryotických organizmov, hlavne tých, ktoré obsahujú plastidy. Na základe týchto sekvencií sa napríklad zisťuje, koľko sekundárnych endosymbióz prebehlo v evolučnom strome eukaryotov, ako prebieha génový transfér z organely do jadra, alebo aké sú vývojové vzťahy medzi rôznymi skupinami eukaryotov. Pracuje sa s ním aj pri zisťovaní migrácií jednotlivých druhov rastlín, napríklad údaje o rekolonizácii Európy dubom (Quercus) po skončení doby ľadovej pramenia práve z výskumu ich cpDNA.[10] Porovnávaním sekvencií plastidovej DNA európskych dubov je možné zistiť, aké populácie sú si navzájom príbuzné, čiže pravdepodobne pochádzajú z jedného miesta.[10]
S výnimkou nukleomorfu, ktorý je odlišného pôvodu než bežná plastidová DNA, má reťazec pDNA zrejme tvar uzavretej slučky a označuje sa tradične ako kruhový, podobne ako u väčšiny prokaryotických organizmov.[1] Niektoré novšie štúdie však poukazujú na skutočnosť, že plastidová DNA je omnoho komplikovanejšia štruktúra, ktorá svoju stavbu mení v čase a cirkulárny typ sa objavuje skôr vzácnejšie.[11][12] U kukurice sa dokonca pozorovali lineárne, zložito vetvené chromozómy a kruhové molekuly boli zastúpené len 3 – 4 percentami.[13] Je však isté, že pDNA má u rôznych druhov rozmanitú veľkosť a rôzny je aj počet génov, ktoré kóduje.
Množstvo plastidovej DNA prítomnej v bunke závisí v prvom rade od počtu plastidov v bunke, ale aj na počte samotných molekúl DNA v jednom plastide a na veľkosti plastidovej DNA. Riasa Chlamydomonas má len jeden chloroplast, ale ten obsahuje až 80 molekúl DNA. Listy kukurice obsahujú v každej bunke 20 – 40 chloroplastov a každý chloroplast obsahuje 20 – 40 molekúl DNA. U kukurice tvorí plastidová DNA 15 % celkového genómu v bunke, u riasy Chlamydomonas len 7 %.[14]
Veľkosť plastidového genómu je však veľmi rozmanitá. Zatiaľ čo u zelenej riasy Stigeoclonium helveticum dosahuje 223 902 párov báz a predstavuje najväčší doteraz známy plastidový genóm,[15] u niektorých organizmov, ktoré druhotne stratili schopnosť fotosyntézy, majú plastidové genómy omnoho menšiu veľkosť.[16] Veľmi malé plastómy (asi okolo 35 – 40-tisíc párov báz) majú napríklad zelené riasy rodu Helicosporidium[17] alebo druhy Eimeria tenella či Plasmodium falciparum. U vyšších rastlín má najmenší genóm tiež parazitická rastlina, ktorá sa nazýva Epifagus virginiana, a to niečo málo vyše 70 000 párov báz.[18]
Kruhový plastidový genóm (najmä u rastlín) má pomerne stabilnú štruktúru, v ktorej sa dajú vysledovať určité zákonitosti. Napríklad chloroplastová DNA tabaku (Nicotiana) a pečeňovky (Marchantiophyta) je takmer rovnaká.[1] Obvykle sa na nej rozlišujú dve oblasti, ktorých sekvencie sú obsiahnuté v cpDNA vždy len raz –tzv. large single copy (LSC) a small single copy (SSC). Medzi nimi sa nachádzajú dve oblasti, ktoré obsahujú tú istú sekvenciu, ale s obráteným poradím komplementárnych báz. Táto časť sa označuje ako inverted repeat (IR), vyskytuje sa u takmer všetkých rastlín a kóduje napríklad gény pre ribozomálnu RNA. Hoci sú gény kódované v IR u rôznych druhov odlišné, v rámci jednej kruhovej molekuly sú vždy obe sekvencie zmieneného regiónu až na smer úplne zhodné a nie je známy mechanizmus, ktorý to spôsobuje.[19] Tento región zrejme stabilizuje DNA pred výraznejšími štrukturálnymi zmenami. Napriek tomu inverted repeat úplne chýba u zástupcov čeľade bôbovitých (Fabaceae) a u niektorých ihličnanov (borovica, dúglaska).[20] Je zrejmé, že plastidová DNA v rôznych líniách fotosyntetizujúcich organizmov prechádza značnými štruktúrnymi zmenami a niekedy sa značne odlišuje od zmieneného modelu. U niektorých panciernatiek (Dinoflagellata) je napríklad plastóm zrejme rozdelený do množstva drobných kruhových molekúl s dĺžkou len okolo 2 – 3 tisíc párov báz. Každý kruh obsahuje obvykle jeden gén, niekedy však dva alebo žiadny.[21]
Počet úplne funkčných (prepisovaných a translatovaných) génov je tiež veľmi rozmanitý. Rádovo obsahuje jedna molekula pDNA niekoľko desiatok či stoviek génov, chloroplasty vyšších rastlín obvykle okolo 120 génov.[1] Tieto gény kódujú štyri molekuly ribozomálnej RNA a 20 ribozomálnych proteínov (podieľajúcich sa na stavbe ribozómov v chloroplastoch), asi 30 rôzných transferových RNA, niekoľko podjednotiek chloroplastovaj RNA polymerázy, niekoľko súčastí fotosystémov I a II a ATP syntázy zúčastňujúcej sa fotosyntézy v chloroplastoch, niekoľko enzýmov elektrónového transportného reťazca, jednu podjednotku enzýmu RuBisCO a ďalšie proteíny, niektoré s neznámou funkciou.[1] Z tohto prehľadu je pomerne zrejmé, že chloroplast nie je sebestačný a všetky jeho ostatné súčasti, napríklad malé podjednotky enzýmu RuBisCO,[22] sú transportované do chloroplastu z cytoplazmy. K tejto situácii prispel proces horizontálneho prenosu DNA z pDNA do jadrovej DNA.
Na druhej strane, plastidová DNA vo vnútri niektorých svojich génov obsahuje aj nekódujúce oblasti, tzv. intróny, ktoré sú typické pre eukaryotov. Intróny z čerstvo vytvorenej mRNA odstraňuje proces splicingu.[1]
Na transkripcii plastidovej DNA sa podieľajú dve RNA polymerázy. Prvá, zložená z viacerých jednotiek, je kódovaná z veľkej časti (okrem podjednotky sigma) génmi prítomnými v pDNA. Preto sa anglicky označuje táto polymeráza ako plastid-encoded RNA polymerase čiže PEP. PEP je veľmi podobná RNA polymerázam baktérií, hlavne siníc. Druhá RNA polymeráza v chloroplaste sa skladá len z jednej podjednotky a je kódovaná génmi v samotnom bunkovom jadre (tzv. nucleus-encoded RNA polymerase, NEP). U organizmov s plastidmi, ktoré stratili svoju fotosyntetickú funkciu (napr. mnohé parazitické rastliny), dochádza obvykle k strate génov pre RNA polymerázu.[23]
K translácii (syntéze proteínov) dochádza na ribozómoch prokaryotického typu priamo vo vnútri plastidov. Tieto ribozómy sú svojou stavbou a citlivosťou na antibiotiká veľmi podobné ribozómom baktérií. Syntéza proteínov začína v chloroplastoch transláciou N-formylmetionínu, zatiaľ čo pre eukaryotov je typický metionín.[1] Expresia génu, tzn. miera syntézy určitých proteínov, je kontrolovaná hlavne mierou translácie na ribozómoch a je o niečo komplikovanejšia než u prokaryotov. To umožňuje koordináciu syntézy proteínov v jadre a plastide.[24]
K replikácii genómu v plastidoch dochádza obvykle priebežne, nezávisle od fázy bunkového cyklu, v ktorej sa eukaryotická bunka nachádza. Niektorý reťazec sa preto zrejme v určitom období zreplikuje aj niekoľkokrát, zatiaľ čo iná kópia vôbec. Napriek tomu dochádza k určitej regulácii replikácie.[1] Hlavnú úlohu v ňom zrejme hrajú plastidové DNA polymerázy, označované v niektorých štúdiách ako Os-PolI-like (Os je skratka pre rastlinu Oryza sativa, z ktorej bol enzým izolovaný). Tieto sú kódované jadrovým genómom a vykazujú značnú podobnosť s polymerázou I siníc.[25] Samotný priebeh replikácie je zrejme pomerne odlišný od replikácia jadrovej DNA, už len preto, že pDNA sa obvykle popisuje ako kruhová. Replikácia začína v typickom prípade na dvoch miestach vzdialených 7000 párov báz, teda v každom vlákne na jednom mieste. DNA polymerázy na oboch vláknach tvoria charakteristické D-loops, ktoré sa k sebe približujú a nakoniec splývajú, ale každá DNA polymeráza pokračuje svojim smerom, čím postupne vzniká kruhová molekula, ku ktorej je na jednej strane pripojený dcérsky polkruhovitý reťazec.[26]
Plastidy a ich DNA, ktorá ukazuje nápadnú podobnosť s DNA prokaryotov, podobne ako mitochondriálna DNA, sú dokladom endosymbiotickej teórie.[4] Na rozdiel od mitochondrií sa plastidy vyvinuli u niekoľkých, často nepríbuzných skupín eukaryotov.
Tzv. primárne plastidy pochádzajú zo siníc a vznikli pravdepodobne len raz, a to u rastlín, ktoré v širšom zmysle zahŕňajú nielen zelené rastliny (Viridiplantae), ale aj červené riasy (Rhodophyta) a Glaucophyta.[29] Plastidy iných druhov fotosyntetizujúcich eukaryotov vznikli predovšetkým sekundárnou endosymbiózou, čiže pohltením jednej zo skupín rastlín. Pohltením červenej riasy vznikli plastidy (niekedy kvôli svojmu pôvodu nazývané rhodoplasty) napr. u rôzných heterokont (Heterokonta) a rozsievok (Bacillariophyceae), pohltením zelenej riasy vznikli plastidy u Chlorarachniophyta, niektorých červenoočiek (Euglenozoa) a jednej panciernatky (Dinoflagellata).[4]
Dnešná pDNA kóduje len asi 5 – 10 % pôvodných genov svojich sinicových predkov. Je to buď kvôli strate niektorých génov, ktoré neboli potrebné, alebo ich prenosom do jadra.[30] V druhom prípade ide o proces tzv. horizontálneho prenosu (transferu) genetickej informácie, vďaka ktorému je množstvo génov pôvodne pochádzajúcich z plastidu (a ešte skôr z genómu siníc) v súčasnosti začlenených do jadrovej DNA.[1] Zistilo sa, že v jadrovej DNA druhu Arabidopsis thaliana je prítomých až 4 500 génov, ktoré pochádzajú zo siníc, z ktorých vznikli plastidy. To tvorí 18 % z celkového počtu génov tohto druhu. Množstvo génov, ktoré táto rastlina dnes obsahuje, sa v niektorých iných skupinách organizmov stále vyskytuje v ich chloroplastovej DNA.[30]
V súvislosti s horizontálnym transferom je možno uviesť, že neprebieha iba výmena genómu medzi plastidom a jadrom, ale aj medzi plastidom a mitochondriou. Prenos opačným smerom, tzn. z vonkajšieho prostredia do plastidu, je zrejme vzácnejší jav, ale už bol tiež zaznamenaný. V takomto prípade sa obvykle do plastidovej DNA začleňuje sekvencia génov niektorých baktériofágov (jav nazývaný transdukcia) alebo napr. sekvencia parazitickej baktérie Agrobacterium tumefaciens.[31]
Dedičnosť pDNA pri pohlavnom rozmnožovaní súvisí so spôsobom prenosu semiautonómnych organel z pohlavných buniek do vznikajúcej zygoty. Asi u dvoch tretín vyšších rastlín sa pDNA prenáša len zo samičích pohlavných buniek (maternálne). Samčie chloroplasty z peľových zŕn teda nevstupujú do zygoty. U ostatných vyšších rastlín sa do zygoty dostanú samičie aj samčie chloroplasty a dedičnost pDNA je teda biparentálna.[1] Možno povedať, že maternálnu dedičnosť prejavuje väčšina krytosemenných (hoci niektoré z nich sú taktiež biparentálne). Hlavne u niektorých nahosemenných však bola objavená výhradne paternálna dedičnosť, tzn. že všetka plastidová DNA v potomstve pochádza z peľového zrna. Mechanizmy odstránenia plastidov jedného pohlavia sú obvykle komplikované a môžu pôsobiť pred alebo po oplodnení.[32]
Keď nejaká rastlina s biparentálnou dedičnosťou plastidov zdedí od jedného z rodičov defektný plastid (tzn. defekt spôsobený určitými mutáciami v pDNA), je niekedy možné pozorovať na listoch mozaikovitú zeleno-bielu štruktúru, pretože určité časti jej pletív sú schopné fotosyntetizovať a iné nie. Tento jav sa nazýva variegácia.[1]
Keďže plastidová DNA nie je súčasťou jadrového genómu, prenos jej genetickej informácie patrí medzi mimojadrovú dedičnosť.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
