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叶绿体基因组结构与表达调控
来源: 本站原创   点击数:2424   更新时间:2005-09-07

1 叶绿体DNA的发现

叶绿体是地球上独特的将光能转化为化学能的细胞器。在叶绿体中进行着光能吸收、传递、光合磷酸化、CO2固定及放氧等一系列复杂的过程。本世纪初科伦斯(Correns)通过对紫茉莉叶斑现象的遗传分析,发现一些与叶绿体结构和发育有关的遗传因子并不遵照孟德尔定律。同时有人注意到叶绿体具有相当程度的自我繁殖能力,特别是低等植物,在细胞生活史的各个阶段叶绿体都能自行分裂,分配到子细胞之中,所有这些特征说明了叶绿体具有一定程度的自主性。

1951年Chiba以卷柏、白花紫露草、紫万年等为材料,在它们的叶绿体中发现福尔根(Fulgan)染色阳性的颗粒,推测其中可能有DNA。但不同作者观察的结果有异,因此没有定论。1962年Ris等报告他们用电镜分别观察衣藻和玉米等植物叶绿体的超薄切片,发现在基质中电子密度比较低的部分有2.5nm左右的细纤丝存在,当用DNA酶处理时,这种纤丝就消失了,因此证明叶绿体中确实有DNA存在。后来又在许多植物的叶绿体中都看到DNA纤丝。1963年塞杰(Sager)和Ishida从衣藻叶绿体中,Gibor和Izawa从伞藻叶绿体中都分离出DNA。这样,叶绿体中存在DNA(ctDNA)的事实很快被人们所公认。

2 叶绿体基因组的结构

现在已知道,叶绿体DNA(ctDNA)是双链环状分子,大小约为120~160kb。大多数植物的ctDNA分子中有两段反向重复的核苷酸序列,是大多数植物ctDNA所共有的特征,大小约在6~76kb之间,不同植物ctDNA大小的差异主要是由于反向重复序列大小的不同而引起的。但在有些植物如蚕豆、豌豆并未发现有两段对称的反向重复序列,而在眼虫藻等却发现有3段正向重复序列。

Shinozaki等于1986年分别发表了烟草和地钱的ctDNA全序列,Hiratsuka也于1989年报道了水稻ctDNA的全序列,这些均显示ctDNA含有编码叶绿体rRNA和tRNA的基因以及100个左右的蛋白质结构基因。同时发现大多数植物的ctDNA含有2个rDNA拷贝,眼虫藻中有3个紧邻的rDNA拷贝,豌豆和蚕豆却仅含有一个rDNA拷贝,所以一般认为rDNA存在于ctDNA反向重复序列中。埃内亚斯(Eneas Filho)等发现豌豆叶绿体中核糖体的60种不同蛋白组分中,有1/3是由ctDNA编码。现在已公认在叶绿体的所有蛋白质中既有叶绿体基因组编码的(约占总种类的30%,例如光合作用反应中心的蛋白等)也有核基因组编码的(约占总种类的70%,例如类囊体膜的一些蛋白等),还有一些功能性寡聚蛋白质,其组成亚基分别是由两个基因组编码的,例如叶绿体中的可溶性蛋白Rubisco,其大亚基是由自身基因组编码,而小亚基则由核基因组编码。但也有例外,Reith等就曾在灰藻和红藻中发现Rubisco的大小亚基皆由叶绿体自身基因组编码,且大小亚基的基因共同组成一个操纵子。Turmel等于1978年报道在衣藻ctDNA的23SrDNA中发现有一个内含子(intron)的存在,这是第一次在ctDNA中发现的与真核生物核基因类似的断裂基因。后来,Koch等在玉米ctDNA的trnI和trnA基因中也发现有内含子。高等植物叶绿体DNA的内含子主要在tRNA基因中发现,很少在蛋白质结构基因中发现,但在绿藻中却发现大量的蛋白质结构基因也存在有内含子。另外,奥罗斯科(Orozco)等在1980年首次报道了在眼虫藻的叶绿体基因组16SrDNA的先导序列中存在有一个额外的“假”tRNAIle基因,在单子叶植物的叶绿体基因组中至少发现有5个类似的“假”tRNA基因。

3 叶绿体基因与原核基因表达调控的比较

目前,叶绿体分子遗传学的研究侧重于对叶绿体基因表达调控方面的探索。叶绿体的基因表达类似于原核生物,表现在:(1)用体外突变实验(碱基替换、缺失和插入等)证明,叶绿体基因的启动子与原核生物的相似,皆是由两个部分组成的,即基因上游-10区的TATAAT和-35区的TTGACA序列。-35区附近富含AT的顺序往往被称为识别序列,而称-10区附近的序列为“Pribnow”盒。在-35区的六聚体中,三聚体TTG保守性最强。在-10区的TATAAT六聚体中,有4个碱基是高度保守的,用大写字母表示为TAtAaT。(2)叶绿体基因和原核生物基因均是以多顺反子的形成进行转录的,在转录形成一个前体RNA之后,再被剪接加工成数个成熟的RNA。(3)在E.coli中或在体外用E.coli的抽提物可使克隆的叶绿体基因转录和转译以产生相应的蛋白,叶绿体基因启动子的原核性质更直接的证据是E.coli RNA聚合酶能与叶绿体DNA特异性结合。然而在体外,E.cole RNA聚合酶不能识别ctDNA的编码链和非编码链。另外,ctDNA基因转录的终止也与原核生物的相似,即在终止位点处存在有反向重复序列以形成“发卡”结构。(4)叶绿体基因的上游存在有类似于原核生物基因的核糖体结合序列。

尽管如此,叶绿体基因的表达调控也具有自己的特点:(1)利福平可以抑制E.coli RNA聚合酶的转录活性,但对叶绿体自身RNA聚合酶的转录活性却没有影响。(2)叶绿体RNA聚合酶在体外起始转录时,模板必需是超螺旋结构,并且能被新生霉素识别和抑制;而E.coli RNA聚合酶起始转录无此要求。(3)叶绿体的RNA聚合酶比E.coli的RNA聚合酶对ctDNA模板表现为更强的启动子特异性。(4)叶绿体基因组中编码与光反应中心有关的蛋白质基因除受内在的因子调控外,还受光调控,其中有的基因还有光诱导性质。

毕德鲁克(Bedbrook)等于1977年报道克隆了玉米rRNA基因,这是第一个叶绿体基因被克隆。随后又许多基因如玉米的Rubisco大亚基基因(rbcL)、psbA和psbD基因等相继被克隆,同时又有许多已克隆的基因在大肠杆菌中或在体外得以表达。

叶绿体基因组的结构以及表达调控的研究对叶绿体起源问题的探索具有重要意义。关于叶绿体的起源问题有两种互相对立的学说,即内共生假说和分化假说。按照内共生假说,叶绿体的祖先是蓝藻或光合细菌,它们在生物进化的早期被原始真核细胞捕获(吞噬),逐步进化为叶绿体。分化假说认为叶绿体是原始的真核细胞内质逐步分化而形成。已有的一些研究成果更有利于叶绿体起源的内共生假说,例如叶绿体DNA的大小及形状类似于蓝细菌DNA,DNA的组成中也都无5-甲基胞嘧啶,它们的DNA都不与组蛋白结合在一起。此外,它们的蛋白质合成都受氯霉素抑制,而对放线菌酮不敏感等。但是叶绿体基因具有内含子以及增强子的现象表明它具有核基因的一些特性,叶绿体中许多蛋白质也是由核基因编码的,对此,石田政弘认为在叶绿体内共生起源进化过程中发生过核基因组和叶绿体基因组之间的DNA重组事件。

目前,叶绿体分子遗传学正被大量用作探讨光合作用结构功能和反应步骤的手段。例如,光合细菌反应中心色素蛋白质复合体和植物光系统Ⅱ反应中心色素蛋白复合体的类似性很大程度上是靠比较编码它们多肽的基因核苷酸序列而明确的。对于Rubisco大小亚基的生物合成和组装过程的认识也有许多是通过叶绿体分子遗传学和基因工程的手段而认识的。  
  
  

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