Plastidová DNA (pDNA, taképlastom) jeDNA, která se nalézá v plastidech. Plastidy jsouorganely vyskytující se v některýcheukaryotických buňkách, kde vykonávají různé specializované funkce. Protože plastidy mají vlastní nezávislou genetickou informaci obsaženou právě v plastidové DNA, označují se odborně jakosemiautonomní organely buněk. Plastidová DNA je podobně jakomitochondriální DNA nositelkoumimojaderné dědičnosti. Existence plastidové DNA byla dokázána v roce 1962 Hansem Risem a Walterem Plautem, i když se předpokládala již dříve.[1]
Příkladem plastidů typických v rostlinných buňkách jsouchloroplasty, v nichž se odehráváfotosyntéza, která rostlině zajišťuje přeměnu světelné energie na chemickou. Plastidová DNA obsažená v chloroplastech se označuje jakochloroplastová DNA (cpDNA čictDNA). Předpokládá se, že chloroplasty v rostlinách jsou původním a nejstarším druhem plastidů. Jejich DNA je odvozena odsinicového předka chloroplastů, který byl před stamilióny let v procesuevoluce eukaryotické buňky touto buňkou pohlcen.[2] Navíc například u krásnooček čiskrytěnek existují plastidy vzniklédruhotným pohlcením eukaryotické buňky, která již obsahovala chloroplast, ale i tyto sekundární plastidy rovněž obsahují genom sinice. Výjimkou je však útvar zvanýnukleomorf, tedy zbytkový genom buňkou pohlceného eukaryota.[3]
Chloroplastová DNA se připohlavním rozmnožování přenáší buď ze samičích pohlavních buněk, nebo ze samčích, ale někdy i od obou pohlaví. V buňce bývá přítomno více kopií plastidové DNA, a ta je obvykle kruhová, tedy ve tvaru uzavřené smyčky. Velikost pDNA, měřená jako početnukleových bází, je velice rozmanitá, přičemž redukované plastidové genomy se nacházejí zejména u druhů, jejichž plastidy ztratily fotosyntetickou funkci (např. parazitická řasaHelicosporidium čivýtrusovci).
.jpg) | buňka: průměr 10 mikrometrů; obvykle obsahuje jeden chloroplast[2] |
 | chloroplast: průměr několik mikrometrů; obsahuje až 80 molekul chloroplastové DNA[2] |
 | plastidová DNA: řetězec 203 395 párůbází má délku asi 0,07 milimetru (výpočet dle The Physics Factbook[4]) |
Plastidy jsou speciálníorganely, které jsou přítomné v některýcheukaryotických buňkách, tedy v buňkách se složitější strukturou a jistou vnitřní hierarchií. Konkrétně se plastidy vyskytují urostlin (Plantae), dále například uobrněnek (Dinophyta),skrytěnek (Cryptophyta),hnědých řas (Phaeophyceae) čikrásnooček (Euglenophyta). Původní funkcí plastidů jefotosyntéza, ačkoliv u některých organizmů jsou známy i plastidy neschopné fotosyntetizovat. Plastidy jsou od zbytku buňky odděleny několikamembránami a tvoří tak samostatný „kompartment“. To, že navíc obsahují vlastnígenom – tedy plastidovouDNA – naznačuje, že plastidy jsou do určité míry nezávislou jednotkou (označujeme je jakosemiautonomní organely). DNA, čili deoxyribonukleová kyselina, je totiž přítomna ve všech buněčných organizmech, kde slouží jako genetický materiál, v němž jsou zapsány ve forměgenetického kódu návody na výrobu všechbílkovin v buňce. Skutečnost, že i plastidy mají vlastní genom, ačkoliv nejsou samostatné organizmy, je tedy zdánlivě paradoxní. Mnohé studie však prokázaly, že plastid je zřejmě potomkemsinic,[5][6] které se kdysi dostaly do eukaryotické buňky a zdomácněly v ní, a že genom plastidů má s genomem sinic mnoho společných rysů.
Úvahy o existencimimojaderné dědičnosti v plastidech se objevovaly již v padesátých letech 20. století, ale pokusy o izolaci DNA byly neúspěšné. Úspěšně byla vlákna plastidové DNA dokázána až v roce1962 Hansem Risem a Walterem Plautem z University of Wisconsin v jejich studiiUltrastructure of DNA-containing areas in the chloroplast of Chlamydomonas, a to v chloroplastech jednobuněčné řasy roduChlamydomonas.[1] V této studii již byla zmíněna hypotéza, že chloroplasty mohou být potomky prokaryotickýchendosymbiontů.[7] O rok později následovaly v rychlém sledu zprávy o izolaci plastidové DNA z nejrůznějších rostlin.[1] Dalším úspěchem vědy bylasekvenace kompletního chloroplastového genomu. Poprvé se tak stalo u porostnice mnohotvárné (Marchantia polymorpha)[8] Dodnes pak bylo osekvenováno více než 150 plastomů (genomů v plastidech).[9]
Chloroplastová DNA má některé vlastnosti, které usnadňují její využití k různým molekulárně biologickým studiím. Tento genom je totiž poměrně malý, přítomný v mnoha kopiích a poměrně dobře prostudovaný. Navíc poměrně pomalumutuje a má mnoho zvláštností, které činí jeho výzkum zajímavý například proevoluční čimolekulární biology.[10]
Sekvenace DNA z plastidů dnes pomáhá vědcům odhalovat napříkladevoluci eukaryotických organizmů, zejména těch s plastidem. Na základě těchto sekvencí se například zjišťuje, koliksekundárních endosymbióz proběhlo v evolučním stromu eukaryot, jak probíhá genový transfer z organely do jádra či jaké jsou vývojové vztahy mezi různými skupinami eukaryot.[11] Mnohé studie využívají drobných rozdílů mezi pDNA jednotlivýchdruhů téhožrodu za účelem zjištění přesných příbuzenských vztahů mezi těmito druhy.[12] Rovněž se s ním pracuje při zjišťování migrací jednotlivých druhů rostlin, například údaje o rekolonizaci Evropydubem (Quercus) po skončenídoby ledové pramení právě zejména z výzkumu jejich cpDNA. Srovnávánímsekvencí plastidové DNA evropských dubů je možné zjistit, jaképopulace jsou vzájemně příbuzné a pochází tedy pravděpodobně z jednoho místa.[13]
S výjimkounukleomorfu, který je odlišného původu než běžná plastidová DNA, má řetězec pDNA zřejmě tvar uzavřené smyčky a označuje se tedy tradičně jako kruhový, podobně jako u většinyprokaryotických organizmů.[2] Některé současnější studie však podtrhují skutečnost, že plastidová DNA je o poznání komplikovanější struktura, která svoji stavbu mění v čase a cirkulární typ se objevuje spíše vzácněji.[14][15] U kukuřice byly dokonce pozorovány lineární, složitě větvenéchromozomy a zastoupení kruhových molekul činilo pouze 3–4 %.[16] Jisté je však to, že pDNA má u různých druhů rozmanitou velikost a různý je i počet genů, které kóduje.
Množství plastidové DNA přítomné v buňce samozřejmě v první řadě závisí na počtu plastidů v buňce, ale dále pak také na počtu samotných molekul DNA v jednom plastidu a za třetí na velikosti plastidové DNA. ŘasaChlamydomonas má jen jeden chloroplast, avšak ten obsahuje až 80 molekul DNA. Listykukuřice obsahují v každé buňce 20–40 chloroplastů, každý chloroplast obsahuje ale 20–40 molekul DNA. U kukuřice tvoří plastidová DNA 15 % celkového genomu v buňce, u řasyChlamydomonas jen 7 %.[17]
Velikost plastidového genomu je však velice rozmanitá. Zatímco u zelené řasyStigeoclonium helveticum dosahuje 223 902 párůbází a představuje největší dosud známý plastidový genom,[18] u některých organizmů, které druhotně ztratily schopnostfotosyntézy, mají plastidové genomy mnohem menší velikost.[19] Velmi malé plastomy (asi okolo 35–40 tisíc párů bází) mají například zelené řasy roduHelicosporidium[20] nebovýtrusovci (Apicomplexa) druhůEimeria tenella[21] čiPlasmodium falciparum.[22] U vyšších rostlin má nejmenší genom rovněž parazitická rostlina, která se jmenujeEpifagus virginiana, a to něco málo přes 70 000 párů bází.[23]
Kruhový plastidový genom (zejména u rostlin) má poměrně stabilní strukturu, u níž se dají vysledovat některé zákonitosti. Například chloroplastová DNAtabáku (Nicotiana) ajátrovky (Marchantiophyta) je téměř stejná.[2] Obvykle se na ní rozlišují dvě oblasti, jejichž sekvence jsou obsažené v cpDNa vždy jen jednou –tzv.large single copy (LSC) asmall single copy (SSC). Mezi nimi se nachází dvě oblasti, které obsahují tutéž sekvenci, ale s obráceným pořadím komplementárních bází. Tato část se označuje jakoinverted repeat (IR), vyskytuje se u téměř všech rostlin a kóduje například geny proribozomální RNA. I když jsou geny kódované v IR u různých druhů odlišné, v rámci jedné kruhové molekuly jsou vždy obě sekvence zmíněného regionu až na směr zcela shodné a není znám mechanismus, který to způsobuje.[24] Tento region zřejmě stabilizuje DNA před výraznějšími strukturními změnami. Inverted repeat přesto zcela chybí u zástupců čeledibobovitých (Fabaceae) a u některýchjehličnanů (borovice,douglaska).[25] Je zřejmé, že plastidová DNA v různých liniích fotosyntetizujících organizmů prochází značnými strukturními změnami a někdy se značně odlišuje od zmiňovaného modelu. U některýchobrněnek (Dinoflagellata) je například plastom zřejmě rozdělen do množství drobných kruhových molekul o délce jen asi 2–3 tisíce párů bází. Každý kruh obsahuje obvykle jeden gen, někdy však dva nebo také vůbec žádný.[26]
Rovněž počet plně funkčních (přepisovaných atranslatových)genů je velice rozmanitý. Řádově obsahuje jedna molekula pDNA několik desítek či stovek genů, chloroplasty vyšších rostlin obvykle kolem 120 genů.[2] Tyto geny kódují čtyři molekulyribozomální RNA a 20 ribozomálních proteinů (podílející se na stavběribozomů v chloroplastech), asi 30 různýchtransferových RNA, dále několik podjednotek chloroplastovéRNA polymerázy, několik součástífotosystémů I a II aATP syntázy účastnící sefotosyntézy v chloroplastech, několik enzymůelektronového transportního řetězce, jednupodjednotku enzymuRuBisCO a další proteiny, některé s neznámou funkcí.[2] Z tohoto přehledu je poměrně zřejmé, že chloroplast není soběstačný a všechny jeho ostatní součásti, namátkou například malé podjednotky enzymu RuBisCO,[27] jsou transportovány z vnějšku z cytoplazmy. K této situaci přispěl proceshorizontálního transferu DNA z pDNA do jaderné DNA (vizníže).
Na druhou stranu je známo, že plastidová DNA uvnitř některých svých genů obsahuje i nekódující oblasti, tzv.introny, které jsou typické proeukaryota. Introny jsou z čerstvě vytvořenémRNA odstraňovány díky procesusplicingu.[2]
Natranskripci plastidové DNA se podílí dvěRNA polymerázy. První, složená z více jednotek, je kódovaná z velké části (vyjmapodjednotky sigma) geny přítomnými v pDNA. Proto se anglicky označuje tato polymeráza jakoplastid-encoded RNA polymerase čili PEP. PEP je velice podobná RNA polymerázámbakterií, zejménasinic. Druhá RNA polymeráza v chloroplastu se skládá pouze z jedné podjednotky a je kódovaná geny v samotnémbuněčném jádře (tzv.nucleus-encoded RNA polymerase, NEP). U organizmů s plastidy, které již ztratily svou fotosyntetickou funkci (např. mnohéparazitické rostliny), dochází obvykle ke ztrátě genů pro RNA polymerázu.[28]
K translaci (syntéze proteinů) dochází naribozomech prokaryotického typu přímo uvnitř v plastidech. Tyto ribozomy jsou velice podobné ribozomům bakterií svou stavbou i citlivostí k antibiotikům. Syntéza proteinů začíná v chloroplastech translacíN-formylmethioninu, zatímco pro eukaryota je typickýmethionin.[2]Genová exprese, tzn. vlastně míra syntézy určitých proteinů, je kontrolována zejména mírou translace na ribozomech, a je poněkud komplikovanější než u prokaryot. Je tak umožněna koordinace syntézy proteinů v jádře a plastidu.[29]
K replikaci genomu v plastidech dochází obvykle zcela průběžně, nezávisle na fázibuněčného cyklu, v níž se eukaryotická buňka nachází. Některý řetězec se tak zřejmě v určitém období zreplikuje i několikrát, zatímco jiná kopie vůbec. Přesto k určité regulaci replikace dochází.[2] Ústřední roli v něm zřejmě hrají plastidovéDNA polymerázy, označované v některých studiích jako Os-PolI-like (Os je zkratka pro rostlinuOryza sativa, z níž byl enzym izolován). Tyto jsou kódované jaderným genomem a vykazující značnou podobnost s polymerázou I sinic.[30] Samotný průběh replikace je zřejmě poměrně odlišný od replikace jaderné DNA, už jen z důvodu, že pDNA je obvykle popisována jako kruhová. Replikace začíná v typickém případě na dvou místech vzdálených 7000 párů bází, tedy v každém vláknu na jednom místě. DNA polymerázy na obou vláknech tvoří charakteristickéD-loops, které se k sobě přibližují, nakonec splývají, ale každá DNA polymeráza pokračuje svým směrem, čímž postupně vzniká kruhová molekula, z níž na jedné straně vyhřezává dceřiný půlkruhovitý řetězec.[31]
Plastidy a jejich DNA, která vykazuje nápadnou podobnost s DNA prokaryot, podobně jakomitochondriální DNA, jsou doklademendosymbiotické teorie.[6] Na rozdíl od mitochondrií se plastidy vyvinuly u několika, často nepříbuzných skupin eukaryot.
Tzv. primární plastidy však pochází zesinic a vznikly pravděpodobně pouze jednou, a to u rostlin, které v širším pojetí zahrnují nejenzelené rostliny (Viridiplantae), ale i ruduchy (Rhodophyta) aglaukofyty (Glaucophyta).[34] Plastidy u jiných druhů fotosyntetizujících eukaryot vznikly předevšímsekundární endosymbiózou, tedy pohlcením jedné ze skupin rostlin. Pohlcením ruduchy vznikly plastidy (někdy kvůli svému původu zvanérhodoplasty) např. u různýchheterokont (Heterokonta) arozsivek (Bacillariophyceae), pohlcením zelené řasy vznikly plastidy u Chlorarachniophyta, některýchkrásnooček (Euglenozoa) a jednéobrněnky (Dinoflagellata).[6]
Dnešní pDNA kóduje jen asi 5–10 % původních genů svýchsinicových předků. To je způsobeno buď ztrátou některých genů, které nebyly potřebné, nebo jejich přenosem do jádra.[11] V druhém případě se jedná o proces tzv.horizontálního přenosu genetické informace, díky němuž je množství genů prapůvodně pocházejících z plastidu (a ještě dříve z genomu sinic) dnes již začleněno dojaderné DNA.[2] Bylo zjištěno, že v jaderné DNAhuseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) je přítomno až 4 500 genů, které pochází ze sinic, z nichž vznikly plastidy. To tvoří 18 % z celkového počtu genů huseníčku. Dále se uvádí, že množství genů dnes přítomných v jaderné DNA této rostliny se u některých jiných skupin organizmů stále vyskytuje v jejich chloroplastové DNA.[11]
V souvislosti s horizontálním transferem je možno uvést, že neprobíhá jen výměna genomu mezi plastidem a jádrem, ale i mezi plastidem amitochondrií. Přenos opačným směrem, tzn. z vnějšího prostředí do plastidu, je zřejmě jev vzácnější, ačkoliv i tento případ byl zaznamenán. V tom případě se obvykle do plastidové DNA začleňuje sekvence genů některýchbakteriofágů (jev rovněž zvanýtransdukce) nebo např. sekvence parazitické bakterieAgrobacterium tumefaciens.[35]
Dědičnost pDNA připohlavním rozmnožování souvisí se způsobem přenosusemiautonomních organel z pohlavních buněk do vznikajícízygoty. Asi u dvou třetin vyšších rostlin se pDNA přenáší pouze ze samičích pohlavních buněk (maternálně, samčí chloroplasty z pylových zrn tedy nevstupují do zygoty). U zbytku vyšších rostlin je v zygotě přítomna kombinace samčích i samičích chloroplastů a dědičnost pDNA je tedy biparentální.[2] Dá se říci, že maternální dědičnost projevuje většinakrytosemenných (ačkoliv některé jsou také biparentální). Zejména u některýchnahosemenných však byla objevena výhradně paternální dědičnost, tzn. že všechna plastidová DNA v potomstvu pochází z pylového zrna. Mechanismy odstranění plastidů jednoho pohlaví jsou obvykle komplikovaná a mohou působit před nebo pooplození.[36]
Když určitá rostlina s biparentální dědičností plastidů zdědí od jednoho z rodičů defektní plastid (tzn. defekt způsobený urč.mutacemi v pDNA), je někdy možné pozorovat na listech mozaikovitou zeleno-bílou strukturu, neboť určité části pletiv jsou schopnéfotosyntetizovat a jiné nikoliv. Tento jev je označovánvariegace.[2]
Obrázky, zvuky či videa k tématuplastidová DNA na Wikimedia Commons| Hlavní typynukleových kyselin | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Stavební kameny | ||||||||||
| Obecná charakteristika | Konformace (A-forma,B-forma,Z-forma) • Počet vláken (dsRNA •ssRNA •dsDNA •ssDNA •třívláknová DNA •DNA-RNA vlákna) | |||||||||
| Deoxyribonukleová kyselina | ||||||||||
| Ribonukleová kyselina |
| |||||||||
| Analogy nukleových kyselin | ||||||||||
| Klonovací vektory | Fagemid •Plasmid •Lambda fág •Kosmid •Fosmid •Umělý chromozom odvozený od fága P1 (PAC) bakterií (BAC) kvasinek (YAC) lidských chromozomůHAC | |||||||||
