1.3. Az organelláris genomok szerveződése
1.3.1. A plasztiszgenom szerveződése
A plasztiszok genomjai – különösen magasabbrendű növényekben – viszonylag szűk mérettartományt képviselnek, általában 120-160 kbp hosszúságúak. A legnagyobb jelenleg ismert plasztiszgenom, az egysejtűAcetabulariaalga plasztiszának genomja is csak mintegy 400 kbp. Általában egyszeres méretű kétfonalas cirkuláris DNS formájában találhatók a plasztiszban, de előfordulhatnak más elrendeződésekben is. Kimutattak teljes genomméretű lineáris molekulákat, vagy ezekből összeálló elágazó struktúrákat, melyek faágszerűen is kapcsolódhatnak egymáshoz.
Esetenként többszörös genomméretű, cirkuláris replikációs intermediereket is meg lehet figyelni a plasztisz genomok replikációja során.
A genomméret szempontjából tehát a plasztisz genom csak mintegy 0,1- 0,001%-át teszi ki a sejtmagi genomnak, a sejtben lévő összes DNS-tartalomnak azonban 5-10 %-át is adhatja. Ez annak köszönhető, hogy egy-egy plasztiszban, különösen fiatal levelekben, akár száz kópiában is jelen lehet a teljes genomi méretű DNS, de idősebb sejtekben is több, mintegy 20 kópia jelen van. Mindemellett egy-egy sejtben több plasztisz is található, általában 10-50 db, ami ugyancsak megnöveli a plasztisz-DNS mennyiséget a sejtben.
A több kópiában jelen levő plasztisz genomi DNS-molekulák fehérjékkel komplexeket alkotva, külön-külön szerveződési és funkcionális egységeket, nukleoidokat képezve a tilakoid membránokhoz kapcsolódnak. A nukleoidok egy kompaktabb belső (core) és egy lazább külső régióval rendelkeznek. A kompaktabb régió is hozzáférhető azonban a replikációért, transzkripcióért felelős, plasztiszban kódolt, vagy sejtmagból származó enzimek számára. Acorerégióban főként DNS és fehérjék, míg a külső régióban RNS-transzkriptumok, továbbá egyéb, a szintetizálódott RNS-ek további funkciójának – pl. transzlációjának - megvalósításához szükséges fehérjék is találhatók, melyek együttesen alakítják ki a nukleoid komplex szerveződését és működését (1.12. ábra).
1.12. ábraA plasztisz genetikai állományának lokalizációja és struktúrális szerveződése (Krupinska és mtsai 2013 alapján).
Egy növény morfológiailag különböző szerveiben, vagy szöveteiben található eltérő típusú plasztiszok (pl.
kloroplasztiszok, kromoplasztiszok, leukoplasztiszok) genetikai állománya azonos. Megjelenésbeli különbségeik eltérő génexpressziójuk következtében megvalósuló eltérő működésük megnyilvánulásai.
A magasabbrendű növényekben és zöldalgákban elsődleges endoszimbiózis eredményeként kialakult plasztiszgenomok méretük, géntartalmuk és strukturális felépítésük tekintetében is jelentős hasonlóságokat mutatnak.
A teljes genomot tartalmazó cirkuláris kétfonalas DNS-molekulák jellemzője egyfordítottan ismétlődő régió, azIRAés IRB(Inverted Repeat A és B), melynek génjeit - az ismértlődés következtében - a plasztisz genom két kópiában tartalmazza. Ez az ismétlődés néhány alga, fenyő, vagy pillangós faj kivételével általános sajátsága a plasztisz genomoknak. Az IRAés IRBszakaszok egy kópiában előforduló géneket tartalmazó szakaszokkal vannak elvélasztva egymástól. Azegy kópiában meglévő géneket tartalmazó régiók többnyire nem egyforma méretűek, egykisebb, azSSC(Small Single Copy) és egynagyobb,azLSC(Large Single Copy) régió figyelhető meg a plasztiszok kétfonalas cirkuláris DNS-én (1.13. ábra). Ez az elrendeződés jellemző a plasztiszok közös cianobakteriális ősének genomszerveződésére. Az IR régiót nem tartalmazó néhány fajban a szakaszok elvesztése az evolúció során következett be.
Bár az ismétlődő régiók hosszában lehetnek jelentős különbségek (0,5 – 76 kb) az ismétlődő régiók azonos géneket tartalmaznak mind a prokariótákban, mind a jelenlegi plasztiszokban; nevezetesen a 16S és 23S riboszomális RNS-ek génjeit, melyRNS-ek néhány tRNS-gént fognak közre, valamint az 5S és a magasabbrendű növényRNS-ekre jellemző 4,5S riboszomális RNS-ek génjeit. A plasztisz genomok – noha az eredeti endoszimbiontához képest nagyságrenddel kisebb számú gént tartalmaznak – kevés nem kódoló szekvenciával rendelkeznek.
A DNS mindkét szálán nagy sűrűségben találhatók gének, melyek száma 100-200 között változik, tehát a kódoló kapacitás magas. A plasztiszokban kódolt gének alapvetően két csoportba oszthatók. A transzkripcióhoz, transzlációhoz szükséges gének között találjuk a már említett rRNS-géneken kívül a tRNS-ek, riboszomális fehérjék, vagy az RNS-polimerázok génjeit, míg a fotoszintézisért, a fotoszintetikus apparátus felépítéséért és a CO2-fixációért felelős gének között az elektrontranszportlánc egyes komponenseinek, valamint a Calvin-ciklus enzimeinek génjeit találjuk.
Mintegy 300 plasztisz genom ismeretében elmondható, hogy az organellumban működő prokarióta típusú transzlációhoz szükséges rRNS- és tRNS-készlet jellemzően jelen van a plasztisz genomban. Találhatók továbbá
jelentős számban fehérjegének (mintegy 100-150), melyek száma rendszertani kategóriától, vagy a növény életmódjától függően is változhat. Pl. a szekunder, vagy tercier endoszimbiózissal kialakult alga plasztiszok általában nagyobb számban kódolnak fehérjéket, mint a magasabbrendű növények plasztiszai. Alapvetően eltérő szerveződésűek és kevés gént tartalmazók kivételként köztük is előfordulnak, pl. egyesDinoflagellatafajokban a plasztisz génjeinek mindegyike önálló cirkuláris DNS formájában található meg. Szélsőséges életmódbeli sajátságok genomevolúciós vonzataként megnyilvánuló génvesztés magasabbrendű növényeknél is megfigyelhető, pl. a parazita életmódot folytató nem fotoszintetizáló növények a fotoszintézishez szükséges fehérjék génjeinek jelentős részét elveszítették (Cuscuta, Epiphagus).
Ugyanakkor a plasztisz teljes autonómiájához szükséges gének egy része(pl. a riboszomális fehérjék génjei) csakúgy, mint a fotoszintetikus apparátus fehérjéinek egy része a koevolúció során átadódott a sejtmagba.
Utóbbiak közül jellemzően a CO2-megkötésért felelős, az élővilágban legnagyobb mennyiségben előforduló ribulóz 1,5-biszfoszfát-karboxiláz/oxigenáz enzim kis alegységének génje a sejtmagban, míg a nagy alegység génje a plasztiszokban kódolt. Funkcióképes enzim kialakításához a sejtmag és az organellum összehangolt génexpressziója, citoplazmás riboszómákon történő fehérjeszintézis és az elkészült fehérje plasztiszba történő transzportja szükséges.
Tehát a sejtmagban kódolt, de a plasztiszban működő fehérjék léte egyben a két genom nagyon finoman összehangolt koevolúciójának is bizonyítéka. Ugyanis az eredetileg prokarióta szabályozó szekvenciákkal rendelkező plasztisz géneknek átadódásukat követően a transzkripciójukat biztosító eukarióta szabályozó szekvenciákra, valamint a szintetizálódott fehérjék plasztiszba szállítását biztosító tranzitpeptidet kódoló (ld. 9. fejezet) szekvenciákra is szert kellett tenniük.
1.13. ábraA plasztiszgenomok jellemző genomszerveződése a búza kloroplasztisz alapján. IRAIRB:fordítottan ismétlődő szekvenciák. LSC: hosszabb egykópiás régió), SSC: rövidebb egykópiás régió
Az organellum autonómiája nem teljes; az önálló osztódásra képes plasztiszok létét a magba átadódott gének összehangolt expressziója, citoplazmás riboszómákon történő szintézise és a plasztiszba szállítása biztosítja. Az ősi cianobakteriális genomban eredetileg jelen lévő több mint 3000 gén egy része ugyanakkor a sejtmagba átadódva más funkcióra tett szert, a koevolúció során eliminálódott, vagy a kisebb részük a mitokondriumba adódott át. A
nagyon gazdaságosan szerveződő és gyakorlatilag inkább szemiautonómiát, mint teljes autonóm létezést biztosító plasztiszgenomok is tartalmaznak hosszabb-rövidebb nem kódoló szekvenciákat melyekről az utóbbi néhány év kutatásinak eredményeként bizonyítottan képződnek transzkriptumok. A plasztiszok nem kódoló RNS-ei (pncRNS-ek), melyek méretüket tekintve 20-60 nukleotid hosszúságúak és képződhetnek a gének közötti, vagy génekkel részben átfedő, azonos, vagy komplementer DNS szálról, feltehetően egy még részleteiben nem felderített szabályozó rendszer részei. A pncRNS-ek a génexpresszió különböző szintjein, pl. a transzkriptum stabilitása, az elsődleges transzkriptum nukleotid szekvenciájának módosítása (editing) vagy akár a transzláció szintjén is befolyásolhatják a plasztisz működését.