葉綠體基因組（環(huán)狀雙鏈DNA分子）

正文

（圖）葉綠體基因組

簡介

（圖）葉綠體基因組

葉綠體基因組中的基因數(shù)目多于線粒體基因組，編碼蛋白質(zhì)合成所需的各種tRNA和rRNA以及大約50多種蛋白質(zhì)，其中包括RNA聚合酶、核糖體蛋白質(zhì)、核酮糖1，5—二磷酸核酮糖羥化酶（RuBP酶）的大亞基等。高等植物的葉綠體基因組的長度各異，但均有10～24kb的一段DNA序列的兩份拷貝，互呈反向重復(fù)序列（1RA和IRB）。這兩份反向重復(fù)序列之間發(fā)生重組，形成了一份短的單拷貝序列（short single copy，SSC），把IRA和IRB連接起來，基因組的其余部分則是長的單拷貝序列（long single copy，LSC）。葉綠體基因組同線粒體基因組一樣，都是細胞里相對獨立的一個遺傳系統(tǒng)。葉綠體基因組可以自主地進行復(fù)制，但同時需要細胞核遺傳系統(tǒng)提供遺傳信息。例如，光合系統(tǒng)Ⅱ中的chla／b蛋白質(zhì)是在細胞質(zhì)內(nèi)的80S核糖體上合成后再轉(zhuǎn)運進葉綠體的；RuBP酶的大亞基是在葉綠體內(nèi)合成的，但其小亞基則是在細胞質(zhì)中80s核糖體上合成后轉(zhuǎn)運進葉綠體，然后同大亞基裝配成有生物學(xué)活性的全酶。

cpDNA

（圖）葉綠體基因組

每個葉綠體中cpDNA的拷貝數(shù)隨著物種的不同而不同。但都是多拷貝的。這些拷貝位于類核區(qū)。例如甜菜的葉細胞中每個類核體有4~8個拷貝的cpDNA，而每個葉綠體有4~18個類核體，每個細胞中約有40葉綠體。每個細胞總共有約6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）（單細胞生物）在細胞中一個葉綠體含有500~1500 cpDNA分子。

煙草和水稻（Oryza sativa）葉綠體全序列分析表明cpDNA基因組成有以下特點：

1.基因組由兩個反向重復(fù)序列（IR）和一個短單拷貝序列（short single copy seguence, SSC）及一個長單拷貝序列（long single copy seguence, LSC）組成；

2.IRA和IRB長各10-24Kb，編碼相同，方向相反。

3.cpDNA啟動子和原核生物的相似，有的基因產(chǎn)生單順反子的mRNA，有的為多順反子mRNA；

4.盡管cpDNA大小各不相同，但基因組成是相似的，而且所有基因的數(shù)目幾乎是相同的，它們大部分產(chǎn)物是類囊體的成分或和氧化還原反應(yīng)有關(guān)（表20-7）；

5.其tRNA基因（IRA、IRB上各有7個，LSC上有23個，共37個）中有內(nèi)合子存在，最長者達2526bp，此和原核tRNA不同。有的內(nèi)合子位于D環(huán)上，此和原核tRNA不同。有的內(nèi)含子位于D環(huán)上，此和真核生物核tRNA內(nèi)含子常位于反密碼子環(huán)上也不相同；

6.所有葉綠體基因轉(zhuǎn)錄的mRNA都由葉綠體核糖體翻譯。

并不是所有的葉綠體都含有IR，IR上含有4種rRNA基因，根據(jù)它們排列的情況葉綠體可分為3類：I類是IR 序列，4種rRNA各有2個拷貝，對稱分布在IR上cpDNA也較大，如玉米、煙草、水稻、菠菜、地錢、衣藻（C.Yreinhardi），大部分葉綠體都屬此類。II類：無反向重復(fù)IR，而在cpDNA一側(cè)16S，23S以正向串聯(lián)重復(fù)的形式（各3個拷貝）排列。如少數(shù)低等植物，裸藻（Euglena gracilis）；III類：無IR和DR，rRNA只有一拷貝，如豌豆（Posum satirum）等。這可能在進化的過程中DNA片段的重復(fù)和倒位而造成的。

相關(guān)研究

（圖）葉綠體基因組

植物葉綠體基因組基因表達調(diào)控的研究

葉綠體基因組的特點是具相同或相關(guān)功能的基因組成復(fù)合操縱子結(jié)構(gòu)。這一特點有利于葉綠體基因的表達與調(diào)控，例如rpoB-rpoC-rpoC 2操縱子是由編碼RNA聚合酶各個亞基的基因聚合在一起而形成的，而psbI-psbK-psbD-psbC操縱子則編碼PSⅡ的部分蛋白質(zhì)。葉綠體基因組基因表達調(diào)控方式。

轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)與修飾。萊茵衣藻核基因組與葉綠體基因組遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立，以及許多光合途徑缺陷突變體的分離為研究轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)提供了一個非常有用的模式系統(tǒng)。遺傳分析表明RNA加工和RNA編輯為影響葉綠體基因表達轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)的因素。翻譯水平調(diào)節(jié)。翻譯水平調(diào)節(jié)可使生物快速地適應(yīng)外界環(huán)境條件，特別對于高效表達基因，當(dāng)環(huán)境條件不利時，可通過翻譯水平快速調(diào)節(jié)，從而減少代謝能源的消耗。RNA水平和細胞器代謝狀態(tài)影響葉綠體蛋白的翻譯, 這種調(diào)節(jié)可能是通過核糖體蛋白反式磷酸化來完成的。翻譯后調(diào)節(jié)與修飾。對于質(zhì)體編碼的葉綠素。

在每個葉原基細胞增殖過程中，位置信息決定細胞命運，因而不同細胞如葉肉細胞、皮層細胞、保衛(wèi)細胞中對葉綠體的發(fā)育進行微調(diào)，大多數(shù)是通過調(diào)節(jié)RNA穩(wěn)定性、剪接、翻譯以及蛋白質(zhì)穩(wěn)定性來實現(xiàn)的，并顯示核基因可以控制那些核和質(zhì)體共同編碼的、最終裝配為復(fù)合體的蛋白基因。當(dāng)發(fā)育為葉片時，不同細胞類型的核基因表達有所不同，不同細胞的位置信息，通過不同的基因調(diào)節(jié)機制，引起質(zhì)體和核基因的細胞特異表達。最后，葉片細胞以關(guān)掉編碼葉綠體蛋白的基因和核基因表達而進入衰老階段。

基因表達調(diào)控是由一系列復(fù)雜的調(diào)控機制組成的。不同的調(diào)節(jié)機制在一定條件下對特定基因起調(diào)節(jié)作用，不同的調(diào)節(jié)策略可使不同植物來適應(yīng)各自的生存條件，如：光、溫、水和營養(yǎng)條件可調(diào)節(jié)植物的代謝活動。除上面提到的環(huán)境因素外，還涉及葉綠體基因轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)、翻譯與翻譯后修飾調(diào)節(jié)、核基因?qū)θ~綠體基因在轉(zhuǎn)錄與翻譯過程中的調(diào)節(jié)和質(zhì)體產(chǎn)生的信號對核編碼的質(zhì)體蛋白的表達調(diào)節(jié)等等。因此，很難對葉綠體基因表達找出一個固定模式。在未來的研究中，核基因組和質(zhì)體基因組如何在質(zhì)體發(fā)育過程中起到相互調(diào)節(jié)作用將會成為一個最可能出成果的研究領(lǐng)域。

（圖）葉綠體基因組

和葉綠體基因組的比較研究

原核的藍藻和真核植物（包括其他藻類）中的葉綠體，都同樣進行放氧的光合作用，這為人類和整個生物界提供了賴以生存的食物、氧氣、能源和原料。對葉綠體和藍藻的細胞結(jié)構(gòu)和分子生物學(xué)特性作分析，證明真核生物的葉綠體可能起源于藍藻祖先的內(nèi)共生。這使藍藻在20多年來已成為光合作用研究的模式生物。

藍藻基因組的作圖和測序由日本Kazusa DNA研究所以S.Tabata博士領(lǐng)導(dǎo)的研究組，于1994年開始對集胞藻（Synechocystis sp. PCC6803）作分析，已于1996年完成。最近他們又基本完成了對魚腥藻（Anabaena sp. PCC7120）的全序列測定。集胞藻6803的基因組大小為3,573,470bp，含有3168個編碼蛋白的潛在基因，占全基因組87%。它的基因密度為1.1kb/基因，一個基因表達的產(chǎn)物平均長度為326個氨基酸殘基，這些都是細菌基因組的典型數(shù)據(jù)。在3168個潛在基因中，1416個基因（45%）與已知的相似，尚有1752個基因（55%）需要鑒定。1416個已知基因中，按生物學(xué)功能可分成15類，其中與光合和呼吸有關(guān)的有131個，與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的為24個，與翻譯有關(guān)的144個。

把10種葉綠體的光合器蛋白和光合代謝中蛋白與藍藻比較同一性發(fā)現(xiàn)，進化上差異越大，它們的同一性越差；在不同基因的同一性也有不同，如編碼光合器的同一性較高，編碼光合代謝的基因同一性差些。在編碼光合器的蛋白中，光系統(tǒng)I和II反應(yīng)中心的蛋白同一性較好。現(xiàn)在要做的是如何解釋從藍藻進化到葉綠體失去了絕大部分基因及為何在葉綠體進化中保留下來的蛋白在同一性上有這樣的差異，從這些差異上能否得到啟示來改造基因來提高光合作用效率。