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(xì)胞里相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)遺傳系統(tǒng)。葉綠體基因組可以自主地進(jìn)行復(fù)制，但同時(shí)需要細(xì)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(xì)胞質(zhì)內(nèi)的80S核糖體上合成后再轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)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(xì)胞質(zhì)中80s核糖體上合成后轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)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(gè)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(xì)胞中每個(gè)類核體有4~8個(gè)拷貝的cpDNA，而每個(gè)葉綠體有4~18個(gè)類核體，每個(gè)細(xì)胞中約有40葉綠體。每個(gè)細(xì)胞總共有約6000cpDNA分子。在衣藻中（chlamydomonas）（單細(xì)胞生物）在細(xì)胞中一個(gè)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(diǎn)：

1.基因組由兩個(gè)反向重復(fù)序列（IR）和一個(gè)短單拷貝序列（short single copy seguence, SSC）及一個(gè)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(dòng)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(gè)，LSC上有23個(gè)，共37個(gè)）中有內(nèi)合子存在，最長者達(dá)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(gè)拷貝，對(duì)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(gè)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(jìn)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(dá)調(diào)控的研究

葉綠體基因組的特點(diǎn)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(diǎn)有利于葉綠體基因的表達(dá)與調(diào)控，例如rpoB-rpoC-rpoC 2操縱子是由編碼RNA聚合酶各個(gè)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(dá)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(gè)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(dá)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(duì)于高效表達(dá)基因，當(dāng)環(huán)境條件不利時(shí)，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(xì)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(duì)于質(zhì)體編碼的葉綠素。

在每個(gè)葉原基細(xì)胞增殖過程中，位置信息決定細(xì)胞命運(yùn)，因而不同細(xì)胞如葉肉細(xì)胞、皮層細(xì)胞、保衛(wèi)細(xì)胞中對(duì)葉綠體的發(fā)育進(jìn)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(shí)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(shí)，不同細(xì)胞類型的核基因表達(dá)有所不同，不同細(xì)胞的位置信息，通過不同的基因調(diào)節(jié)機(jī)制，引起質(zhì)體和核基因的細(xì)胞特異表達(dá)。最后，葉片細(xì)胞以關(guān)掉編碼葉綠體蛋白的基因和核基因表達(dá)而進(jìn)入衰老階段。

基因表達(dá)調(diào)控是由一系列復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制組成的。不同的調(diào)節(jié)機(jī)制在一定條件下對(duì)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(dòng)。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(hào)對(duì)核編碼的質(zhì)體蛋白的表達(dá)調(diào)節(jié)等等。因此，很難對(duì)葉綠體基因表達(dá)找出一個(gè)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(huì)成為一個(gè)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(lán)藻和真核植物（包括其他藻類）中的葉綠體，都同樣進(jìn)行放氧的光合作用，這為人類和整個(gè)生物界提供了賴以生存的食物、氧氣、能源和原料。對(duì)葉綠體和藍(lán)藻的細(xì)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(lán)藻祖先的內(nèi)共生。這使藍(lán)藻在20多年來已成為光合作用研究的模式生物。

藍(lán)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(duì)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(duì)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(gè)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(gè)基因表達(dá)的產(chǎn)物平均長度為326個(gè)氨基酸殘基，這些都是細(xì)菌基因組的典型數(shù)據(jù)。在3168個(gè)潛在基因中，1416個(gè)基因（45%）與已知的相似，尚有1752個(gè)基因（55%）需要鑒定。1416個(gè)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(gè)，與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的為24個(gè)，與翻譯有關(guān)的144個(gè)。

把10種葉綠體的光合器蛋白和光合代謝中蛋白與藍(lán)藻比較同一性發(fā)現(xiàn)，進(jìn)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?，F(xiàn)在要做的是如何解釋從藍(lán)藻進(jìn)化到葉綠體失去了絕大部分基因及為何在葉綠體進(jìn)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。