DNA从质体到线粒体转运的首例证据翻译.docx

DNA从质体到线粒体转运的首例证据翻译.docx

《DNA从质体到线粒体转运的首例证据翻译.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《DNA从质体到线粒体转运的首例证据翻译.docx（8页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

DNA从质体到线粒体转运的首例证据翻译

转运反例

线粒体DNA转移到质体基因组的首个证据

关键词：

胡萝卜，线粒体DNA迁移，质体和线粒体基因组，反转录转座子

摘要：

植物细胞不同区间之间存在DNA转移现象，即质体，线粒体和细胞核，这在植物进化中是众所周知的。

理论上，区间内的DNA迁移在六个方向都存在，但之前只有4个方向的DNA迁移被报道过。

这些报道多数为线粒体和质体向细胞核迁移的情况，质体向线粒体的转移，极罕见的细胞核向线粒体迁移。

开花植物的叶绿体和线粒体基因组之间的连接已被视为单向的道路。

与之前观察到的相反，我们发现，在胡萝卜线粒体基因组广泛分布的一个序列，被认为是DCMP，转移到的胡萝卜祖先的叶绿体基因组中。

有趣的是，DCMP融合到一个质体trnV基因的tRNA的启动子中，取代了原有的启动子序列。

对胡萝卜和属于针果芹族分支的近缘物种来说，重排的质体基因组是特定的。

DCMP序列的结构和6nt目标靶位点复制的存在导致我们推测，DNA转运是一个非-LTR（非长末端重复逆转座子）转座事件的结果。

这些发现引出了一个有趣的问题：

细胞器基因组和移动遗传因素的进化，为描述针果芹族分支中物种间的关系提供了一个有用的质体标记。

介绍

植物细胞进化过程中，区间间的DNA迁移是一个众所周知的现象，并且通过重新定位和重塑基因促进基因组的进化，因此为遗传多样性作出了显著贡献。

细胞器进化早期，质体、线粒体和核基因组之间的DNA转移导致细胞器基因的功能重新定位。

相反，几乎所有的最新报告指出：

区间DNA转移引起非编码序列或假基因现象。

六个方向的区间DNA的迁移，在理论上是可能的，他们四种已在被子植物中报道。

DNA从线粒体和质体到细胞核中的转移是最常见的报道。

DNA从质体到线粒体也经常观察。

核DNA转运到豆科和葫芦科植物较大的线粒体基因组也被报道过，相反，没有证据显示在被子植物中的细胞核或线粒体DNA转移到质体中。

Smith调查42种植物，其中包括11个被子植物的叶绿体基因组中线粒体DNA存在的证据，并没有发现任何线粒体DNA序列。

驱使DNA跨区间转移的动力现在仍不清楚。

植物线粒体借助通透性转换孔复合体主动导入DNA。

相反，质体中相对缺乏的核和线粒体DNA可能显示缺乏DNA导入系统，由于质体膜的完整性。

DNA从细胞器基因组到核基因组的逃逸，似乎与细胞器DNA.的退化相一致。

无论是移动的元素，还是通过非同源末端连接（NHEJ）修复DNA双链断裂（DBSS）进行的DNA整合，都是DNA转运机制的重要组成部分。

在我们最近的报道中，我们提供的证据表明，DCMP序列（D.胡萝卜线粒体-叶绿体），从线粒体基因组转运到胡萝卜祖先的叶绿体基因组。

在这里，我们讨论一个假设的机制来解释这一事件。

至目前为止，这代表了这个方向的DNA转运的第一个证据。

由于有大量的可用的被子植物序列数据，这有力地表明，这是一种罕见的事件。

然而，越来越多的新的细胞器和细胞核基因组序列，可以发现类似事件发生在其他物种中，这可以阐明机制，通过叶绿体基因组导入DNA这样罕见的事件。

Apiaceae伞形科；apioideae芹亚科，是伞形科中最大也是分类学上最为复杂的一个亚科，包括404属，2827-2935种，中国分布有95属579种。

本研究综合形态学、细胞学；saniculoideae变豆菜亚科,是伞形科的一个较小的类群,全球约39种,主要分布于热带和亚热带地区;saniculeae变豆菜族；eryngium刺芹属；E.planum扁叶刺芹；

Scandiceae针果芹族；daucus胡萝卜属；D.capillifolius齿边青毛藓;

Cuminum孜然芹；apieae芹族；apium芹菜；a.graveolens旱芹；

coriandreae芫荽族;

图1.根据重建的系统发育，Apiaceaeous伞形科植物变种质体基因组中DCMP的插入度。

（A）黄色，红色，橙色和棕色段1〜4区域代表（DCMP）从线粒体基因组转移到质体（PT）。

它可能在单一的事件中被转移，被转移本组织的转让（B）绿线A和B代表保守的质体侧翼序列的插入;绿线C代表339nt区域，这个片段在Scandiceae针果芹族的质体基因组中已经被删除掉了，细黑线表示缺少区域。

（B）蓝色线条表示胡萝卜的线粒体序列;彩色分部代表DCMP地区1-4，虚线表示线粒体DNA片段隔离区1-4。

该计划不按比例绘制。

1.胡萝卜Mitochondrial-Plastid（DcMP）Region

Goremykin和其同事提供的证据，葡萄线粒体基因组的一个区域与胡萝卜叶绿体基因组的片段相似，我们确认，这个区域的一部分是DCMP片段的一部分，而DCMP很可能从胡萝卜线粒体转移到叶绿体基因组。

这是首次报道的线粒体DNA转移到质体的开花植物。

我们的证据表明，转移片段，至少1,452NT长。

目前，它驻留在一个宽范围的伞形科物种的线粒体基因组，但其在质体基因组的存在仅局限于胡萝卜属及其近亲包括孜然（孜然），表明转移发生在他们共同的祖先。

这一观察表明，DCMP可能是（Scandiceae）针果芹族物种的一个特有的片段，（图1A）。

质体基因组DNA的插入伴随着339nt核苷酸序列的缺失（图1A，C段），这在所有被检测的非Scandiceae物种中无意义的插入位点表现出来。

DCMP区域显然作为相邻序列从线粒体转移到质体中，但目前它在所研究的线粒体基因组中是高度重排的（图1B）。

所有研究的伞形科物种的线粒体基因组的的DCMP段3和4的位置是保守的。

胡萝卜中的线粒体基因组段1和2生理上与3和4分隔开，位于约5kb和超过80kb的下游，分别相对于DCMP3和4（图1B）。

值得注意的是，只有DCMP片段2与其他植物线粒体基因组具有同源性，它是COX1基因的一个片段。

因此，胡萝卜线粒体基因组DCMP片段1，3，4的存在，可能导致一个未知起源的DNA转移，常见于伞形科，比线粒体转移到质体早的DNA转运。

mtDNA观察到的DCMP碎片能够被植物线粒体基因组常见的高水平的重组活性所解释，导致DNA片段的基因组内改组。

2.tRNAVal起始位点的功能替代

DCMP序列恰好整合到叶绿体基因组tRNAVal基因（trnV）的上游，位于大的反向重复序列。

有趣的是，曼纳等调查trnV在胡萝卜胚胎发育表达水平时，确定了三个假定的质体trnV启动子：

P1，P2和P3（图2）。

与烟草和玉米质体基因组相比时，他们观察到三个启动子定位到一个轻微保守区域，烟草和玉米质体基因组中的两个假定的trnV启动子P4和P5在以前就被确定了（图2）。

启动子P1，P2和P3分别位于Vtrn上游的105，41和16个核苷酸处。

他们认为，这三个启动子负责胚胎发育过程中trnV的差异表达。

我们的研究结果显示，所有三个启动子实际上是整合的DCMP序列（图2，阴影序列）的一部分，而P4和P5位于339核苷酸的DNA片段的3'末端，这个片段被胡萝卜叶绿体基因组的在DCMP代替（图2，矩形框;图1A，C段）。

这一地区的胡萝卜，烟草（Nicotianatabacum）和香菜（Petroseliumcrispum）的质体基因组比较，显示P4和P5在香菜中是保守的。

这强烈地表明，随着DCMP的整合导入到质体基因组中，trnV上游侧的保守启动子区域被一个功能的替代品所替代，导致trnV模式的修饰表达。

图2.D.胡萝卜，P.crispum和N.Tabacum中质体trnV基因的上游碱基序列。

阴影部分表示质体DCMP区域的3'末端，仅在D.胡萝卜出现。

矩形框代表D.胡萝卜质体基因组中339核苷酸的DNA片段的3'末端被DCMP所取代。

P1，P2，P3：

D.胡萝卜trnV的假定启动子.

P4，P5：

P.crispum和N.tabacum的trnV.的假定启动子。

水平箭头表示trnV的5'端。

带下划A序列代表DCMP的直接重复单位。

图3.D.胡萝卜质体DCMP序列的结构。

使用开放阅读框取景器检测到ORF（http:

//www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html）。

这个序列，按照5'-3'（由箭头表示）ORF取向是在与其他数字相反的方向。

厚的垂直蓝线表示目标站点复制（TSD）。

薄红色的垂直线表示P1，P2和P3tnrV启动子的相对位置。

红色框表示该区域包括COX1基因的部分序列。

该图表按比例绘制。

3.质体DCMP变体的序列分析和DCMP转运的可能机制

对质体DCMP的序列进行分析，其结构可能代表转移的相邻序列的组织，可以推测出其可能的整合模式。

DCMP序列的解读是通过使用开放阅读框取景器（http:

//www.ncbi.nlm.nih.gov/gorf/gorf.html）的网站获得的。

重复序列的调查保持使用blastn进行核苷酸序列比对。

为了检测与线粒体DCMP区域侧翼序列同源的质体DCMP区域的侧翼序列，需要质体基因组序列和含有胡萝卜线粒体基因组的本地数据库进行比对。

序列解读中确定了三个假定的ORF（开放阅读框），ORFa和ORfb分别为153和408nt，二者都有一个相似的在葡萄中解读到GAG域（图3），第三个ORF，144nt的ORFc（图3）在苜蓿中解读到的中度相似的逆转录酶。

叶绿体中DCMP区域的进一步表征发现了6个核苷酸的直接重复（CTTGAC）的存在，紧紧地在DCMP侧翼（图3，蓝色垂直线），即，直接重复出现在DcMP1的直接上游和DcMP4的直接下游。

以上这些特征表明DCMP可能会是一个非-LTR的逆转录转座子，并且直接重复（CTTGAC）表示目标站点复制（TSD），而TSD作为DCMP整合的结果创建后，伴随着位于线粒体基因组的供体位点的转移。

已经表明，一些非-LTR的元件可能专门针对依赖于RNA聚合酶III基因，如tRNA基因。

最近，wenke等描述了一组针对盘基网柄菌中tRNA基因的非LTR反转录转座子。

非-LTR元素的整合可以改变基因组的结构和功能，并已与基因组的重排、删除相关联，且在某些情况下，它导致相邻基因的修饰表达。

替代机制可能涉及通过微同源的同源重组或I组内含子的转运。

同源重组将需要，质体基因组区域有同源性的重组DNA片段。

然而，由于我们没有发现线粒体DCMP侧翼序列和质体基因组之间的同源性，我们认为这种可能性不太可能发生。

此外，对于替代功能的启动子来说，同源重组是一种不太可能的机制。

第二个替代机制可能涉及I组内含子，其作为移动元素催化自己的剪接和自己的功能，比如那些在ptDNA基因的tRNALeu.的发现。

I组内含子存在于线粒体COX1基因并参与基因的水平转运。

DCMP的结构不支持这个假说。

事实上DCMP几乎没有内部同源性（最大为11nt），故排除I组内含子所表现出的特征折叠的可能性。

有趣的是，D.胡萝卜MT基因组的缺乏COX1I组内含子，正如Sanchez-Puertaetal等所报道的其他许多被子植物物种。

考虑到DCMP区域的结构和Mannaetal等提出的该序列的功能性，我们推测，它代表一个非LTR序列的反转录事件，这个反转录事件有可能造成它整合到来自未知来源的线粒体基因组中，随后像报道的那样转移到质体基因组。

目前，很难对DCMP转运并整合到细胞器基因组的机制进行准确猜测。

如果目前胡萝卜线粒体中DCMP区域的不连续的组织为多伞形科植物共有，这种基因迁移事件可能是比转移到叶绿体基因组早很多，因为它已被限制在一个更窄的近缘物种间。

此外，线粒体中DCMP的断裂可能比转运到质体的事件早，这是根据其明显的在线粒体基因组所观察到的重排和上面所述得出的。

然而叶绿体基因组转移到该地区的COX1基因片段的存在表明，供体序列必须源于线粒体基因组序列。

现在设想的一个方案可能涉及反转录成的线粒体基因组，线粒体DNA的重排和COX1序列从嵌合体线粒体的供体序列的需要和逆转录转录的需要，并最终转运并整合到新副本的质体，包括特定的逆转录因子和线粒体序列（图4）。

方案涉及反转录获得一些支持的事实，反转录因子相关的ORF编码逆转录酶已经在绿藻质体中发现。

图4.胡萝卜祖先DCMP从线粒体到叶绿体基因组的假设示意图。

（Ⅰ）包含非-LTR片段和线粒体特定区域（包括COX1，红色段）的嵌合链段（DCMP）的转录;（Ⅱ）DCMP迁移到细胞质和质体;（Ⅲ）DCMP的整合和祖先Pt-特定段的删除（浅绿色段），其中包括目标站点复制的创建（蓝色的垂直线）和保守的启动子P4和P5的替代（黄色的垂直线），位于trnV中P1，P2和P3（红色的垂直线的更换）上游（紫分部），未示出的反转录步骤；（IV）反向重复序列的校正副本（IR校正，暗绿色段）;（Ⅴ）线粒体基因组DCMP的改组和删除;（VI）DCMP区域特异谱系删除的积累。

该计划不按比例绘制。

在我们的假设中，随着转录，反转录转座子，RNA转移到细胞质并通过“复制和粘贴”机制进行增殖，这需要一个RNA中间体。

这里生产转录所需的蛋白质（图4I）。

虽然这种迁移的机制目前尚不清楚，值得一提的线粒体转录物转移的情况已在动物细胞中得到了很好的证明。

水平转移方案要求RNA拷贝运送到质体中（图4II）。

导致此事件的机制是未知的，但以往的研究显示，如热休克压力条件下可能会导致质体膜上形成孔隙，并允许DNA进入。

相关研究还表明，质体能主动导入mRNA。

我们观察到，在质体基因组，DCMP整合到trnV上游，删除了祖先质体序列的同时创建了目标站点复制（TSD）（图4III）。

确定线粒体基因组中的整合区域是不可能的，由于它经历后续的插入（图4V）和广泛重排。

trnV上游的启动子活性的功能性替代避免了负选择，我们推测，其转移到的反向重复（IR），随后的副本校正机制，复制导入的DCMP到其他的反向重复序列（图4IV）导致与质体基因组的稳定整合。

整合后，删除事件可能发生在胡萝卜或孜然的其他种，他们是Scandiceae分支的两个成员（图1A和4VI的）。

意义与应用

这篇文章进行的讨论为细胞器DNA迁移提供了一种新的见解。

DCMP序列的结构、功能方面，为细胞器基因组的进化提供了一个可行建议，也就是移动遗传因子的整合，并说明了该过程的机制。

植物和其他生物所进行的研究显示，转座子是一个非常强大的追踪祖先历史的标记物。

由于质体基因组有较强的稳定性，针果芹族DCMP区域成为划定这个分枝的关系的候选标记。