线粒体和叶绿体基因组的组织及表达

第五章线粒体和叶绿体基因组的组织及表达第五章线粒体和叶绿体基因组的组织及表达•线粒体(mitochondrion)和叶绿体chloroplast)是真核细胞的两种主要的进行能量转换的细胞器。•这两种细胞器都有其相对独立的遗传系统。•真核细胞在控制信息大分子的合成过程中，各个遗传系统是相互依赖的，它们共同决定真核生物各种性状的发育。•一、线粒体DNA的复杂性早在20世纪60年代初期就已发现在线粒体中存在DNA，直到目前为止，所有已知的各种生物的线粒体基因组都基本上只编码几种与呼吸作用有关的几种成分。虽然各种生物的线粒体DNA都存在广泛相似性，但不同物种的线粒体DNA在构型、大小和碱基组成方面都变化很大。第一节线粒体基因组二、哺乳动物线粒体基因组•人与小牛的线粒体DNA序列存在70%的相似性。•哺乳动物线粒体非常紧凑，基因之间几乎不存在非编码序列，其中一条链的双环碱多，浮力密度较大，叫做重链(heavystrand,H)，另一条链力密度较小，叫做轻链(lightstrand）。大多数基因都位于H链上。rRNA与蛋白质的编码序列相互隔开。•可能只有一个启动子位点。三、酵母线粒体基因组•同哺乳动物和大多数真核生物线粒体基因组一样编码几种重要的成分：tRNA、核糖体15sRNA和21sRNA；细胞色素氧化酶亚基基因CO；var与核糖体蛋白结合基因。四、植物线粒体基因组•都有相近的浮力密度46%G+C•有环的也有线的。有些植物的线粒体基因组除了具有一个大环状的主染色体以外，还具有若干小环状和线状DNA。叫质粒或附加体。•一般认为植物线粒体比动物有较多的基因或调解序列。•高等植物线粒体基因组中还普遍存在叶绿体DNA序列。•由于线粒体和叶绿体基因组的遗传密码不同，转录启始和终止信号不同，线粒体中的叶绿体基因，叶绿体基因可能不起作用。可能在细胞起通讯作用。•因此线粒体和叶绿体及基因组间同源性序列可能在调解序列。•进化分析植物的各种线粒体可能起源于一个环状分子。•在玉米种引起cytoplasmicmalesterelity1、12bp重复序列:tRNA.五、原生动物线粒体基因组•Protoza低等的真核生物，含有一个线粒体。六、线粒体基因密码的不通用性•所有生物的线粒体蛋白质基因都有不使用通用密码的现象，也就是说，即使线粒体基因与核基因和原核生物基因的三联密码的碱基相同.•造成这种密码转换的机制目前尚不清楚七、线粒体基因组的复制•有关各种生物的线粒体基因组的复制机制目前都还不清楚。•根据对哺乳动物线粒体的研究，当H链复制叉前进到基因组1/2处时，再开始以L链为模板的复制过程。•线粒体中也存在拓扑异构酶，这种酶能够催化切割和复制终止过程,即将两条亲链解螺旋和最后将两条子双螺旋分开。第二节线粒体基因的转录与翻译•一、线粒体基因的转录和转录控制（一）转录酶及识别信号•有关线粒体基因转录机制的研究主要来自酵母。酵母线粒体只含有一种RNA聚合酶，由核基因编码.•有19-20个转录起始位点。同感序列：ATATAAGTA•（二）转录调节•可能与启动子强度有关。各个基因转录强度有20倍之差。•启动子强度不仅受核昔酸序列的影响，而且也受其相对位置的影响。二、线粒体转录子的加工•（一）某些内含子编码与转录子加工有关的剪切蛋白。–虽然哺乳动物线粒体基因不具有内含子，但许多低等真核细胞的线粒体基因以及高等植物的线粒体基因都有内含子，包括rRNA基因和一些编码蛋白质的基因。–某些内含子编码与转录子加工有关的剪切蛋白，独特方面。–内含子自动剪切。序列有同源性不需要蛋白因子和核酶。（二）RNA编辑•最早在研究锥形虫中发现,以后陆续在低等真核生物和高等植物线粒体也发现。•RNA编辑定义为细胞中某些特殊的翻译控制装置将不具功能的转录子加工成可翻译的rnRNA，或者是将已具功能的mRNA进行修改，使DNA分子中不完整的遗传信息在RNA水平上保持完整。•包括：碱基插入、缺失、转换、颠换。四、线粒体mRNA的翻译和翻译控制•（一）核基因编码与线粒体mRNA翻译有关的蛋白质。•酵母研究表明，线粒体mRNA的翻译受许多核基因的控制。一般包括线粒体核糖体蛋白和tRNA合成酶等。以及至少3种活化因子。•酵母线粒体核糖体由77种不同多肽组成，大部分亚基都由核基因编码。（二）tRNA与线粒体遗传密码。•各种生物的线粒体tRNA都比细胞溶质tRNA的分子量小，而且数目也少。其3‘端CCA序列是转录后加上去的。•线粒体tRNA中许多都是同功tRNA，所以线粒体只用少数几种tRNA就能将大量遗传信息翻译出来。•大多数生物的线粒体中只有24种tRNA，这24种tRNA能够将线粒体上32种密码翻译成蛋白质。•（三）翻译起始复合体形成及特异调节•关于线粒体翻译启始的一般特征目前知道的不多，•对于高等动、植物线粒体而言，一般认为线粒体翻译启始复合体的形成类似细胞溶质翻译系统，即首先形成小亚基/mRNA/tRNA复合体，然后大亚基再结合进来，启始翻译过程。第三节植物质体基因组的组织及表达•1、所有植物的分生细胞都有一些小的、未分化的、叫做前质体(proplastid)的细胞器，随着细胞分化，前质体也就分化成各种特征不同的质体，如淀粉体(amyloplast)、叶绿体(chloroplast)、有色体(chromoplast)等。•2、虽然各种不同类型的质体在大小、超微结构、色素形成、生化活动以及功能方面各不相同，但它们都具有相同的生化反应装置，即质体遗传系统。•3、叶绿体是植物细胞中最常见的一种质体，它除了具有进行光合作用的整个生化反应装置以外，还参加氨基酸、核酸、脂肪以及淀粉的合成，所以对叶绿体的遗传研究最为深入。•thylakoid：类囊体膜stroma：基质granum基粒•一、质体基因组的组织和结构所有植物的分生细胞都由一些小的、未分化的前质体（proplastid）细胞器，继续分化为淀粉体amyloplast，叶绿体choroplast、有色体chromoplast等，有相同的生化反应装置。其中叶绿体是最常见的，参加氨基酸、核酸、脂肪、淀粉的合成。1、根据对叶绿体的分析，质体基因组为双链环状DNA分子，通常以多拷贝形式存在。其拷贝数因植物组织或细胞不同差别很大。在幼叶中，每一个叶绿体或白色体就含有200个拷贝以上的质体染色体。2、一般说来，在植物的同一分类学单位种以内质体DNA基本相同。无亲缘关系物种中据大量DNA/DNA分子杂交证明，DNA也至少有30%的序列同源性。3、叶绿体所载有的基因基本上与线粒体相似，只是所含基因更多。叶绿体基因组含有其蛋白质合成所需的所有rRNA和tRNA基因，约50种蛋白质基因，包括RNA聚合酶的部分亚基和核糖体的部分亚基的基因。星号为割裂基因，IR为颠倒重复，LSC为大拷贝区，SSC小拷贝区。二、质体基因的表达•（一）转录酶、启动子及转录终止信号。•含两种不同的RNA聚合酶。由质体基因和核基因共同编码。相互结合，倾向性的转录。•同时还需要辅助因子叫S因子（玉米中）•在离体条件下利用大肠杆菌RNA聚合酶和叶绿体RNA聚合酶，转录起点上有存在-10和-35框。高度保守。•但在离体条件下并不需要。•转录终止下游位点也有发卡结构和A碱基串。•（二）叶绿体转录子的加工•叶绿体含120个基因，有50多个转座子。因此许多基因连在一起转录，多顺反子和前体转录子通过加工才能形成有功能的RNA分子。•大多数mRNA3’端含颠倒重复，可能是加工信号、终止信号。•核基因编码蛋白质参与叶绿体mRNA的稳定化。•许多都含有内含子。•有些叶绿体可以分割成几个独立的部分，不同的转录子通过剪切后连接在一起，形成具有翻译的部分，叫分段基因dividedgene，剪切叫反式剪切trans-splicing•烟草分段基因反式剪切•（三）mRNA的翻译起始•大多数5’区存在非翻译前导序列。是核基因编码的蛋白结合位点。•关于叶绿体翻译启始复合体的组成目前不清楚，但现在知道叶绿体90%以上的基因(如玉米、菠菜和豌豆的rbcL基因)的mRNA都具有类似原核生物mRNA的核糖体结合位点。第四节线粒体和质体基因组与细胞核基因组的互作•一、细胞器的生物发生与核基因组的关系线粒体和叶绿体并不是一个完全独立的生化反应系统，除了其基因组的表达高度地受到细胞核遗传系统的控制外，而且这两种细胞器的生物发生也是核基因与各自的细胞器基因协调互作的结果。二、细胞溶质蛋白向细胞器的运输•细胞溶质蛋白进入细胞器与蛋白质穿越内质网、进入质膜或分泌到质膜外的机制有所不同。•后者是在与膜结合的核糖体上进行的分泌过程。而前者在游离得核糖体上翻译的。因此涉及目标的识别和本身的折叠。•折叠蛋白不能穿过细胞器；因此有2种抗折叠蛋白。属于伴侣蛋白范畴。•膜上的通道不是固定的。而且通道很大。控制进入的关键是前导序列和末端部分。可能DNA分子也能进行交换，目前不清楚。溶质体蛋白通过目标信号肽被运输到线粒体中三、细胞器基因与核基因表达的协条性•细胞器和核基因编码某些亚基基因的拷贝数存在很大的差异。•现在证明，核基因一部分参与细胞器基因的转录，一部分起控制mRNA的剪切和稳定作用。•1、基因特意性控制2、类型特意性控制3、一般控制四、植物线粒体与细胞质雄性不育性•植物细胞质雄性不育性(cytoplasmicmalesterelity,CMS)是另一说明细胞器基因组同细胞核基因组进行协调互作的例子。CMS是一种由线粒体基因所决定的遗传现象，主要表现是雄性生殖细胞不育而雌配子可育，但细胞质雄性不育性受细胞核可育基因的抑制，如果将细胞核可育基因引人不育植株的遗传背景中，可使其后代的育性恢复正常。在玉米一种S型雄性不育。小结•细胞质遗传或核外遗传特征由线粒体和叶绿体中的基因决定。不同生物的线粒体基因组变化很大，哺乳动物和酵母线粒体基因组一般为环状双链DNA,植物线粒体基因组由大环状的主染色体和小环状双链DNA或线状双链DNA组成。•线粒体蛋白质基因的密码子具有不通用性，而且某些基因的信息不完整，转录后通过RNA编辑，使DNA分子中不完整的遗传信息在RNA分子上保持完整。有些叶绿体蛋白质基因为分裂基因。•线粒体和叶绿体都有各自的、与细胞核遗传体系不同的基因表达系统，但它们都必须与核遗传体系进行协调互作，才能完成各自的特殊功能，共同控制细胞的生长、繁殖和发育。作业•5,6,7,13