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葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説. 葉緑体ゲノム装置の構造と進化. 葉緑体ゲノムとゲノム装置 複製酵素,転写酵素, DNA 結合タンパク質, RNA 結合タンパク質 比較ゲノム学によるゲノム装置成分の検索 核様体の比較生化学 ゲノム装置の不連続進化. シアノバクテリアと 植物・藻類の葉緑体および それらの核様体. 葉緑体ゲノム装置の起源の探索. 複製 : DNA polymerase(s) 転写 :ファージ型 RNA polymerase(s) DNA 結合タンパク質(転写因子) : HU, DnaB helicase SiR ( 亜硫酸還元酵素)
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葉緑体ゲノム装置の構造と進化 • 葉緑体ゲノムとゲノム装置 • 複製酵素,転写酵素,DNA結合タンパク質,RNA結合タンパク質 • 比較ゲノム学によるゲノム装置成分の検索 • 核様体の比較生化学 • ゲノム装置の不連続進化
シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体およびそれらの核様体シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体およびそれらの核様体
葉緑体ゲノム装置の起源の探索 • 複製:DNA polymerase(s) • 転写:ファージ型RNA polymerase(s) • DNA結合タンパク質(転写因子): • HU, DnaB helicase • SiR (亜硫酸還元酵素) • PEND(包膜のDNA結合タンパク質) • RNA結合タンパク質:Rbp / GRP
Discontinuous evolution of plastid genomic machinery(1) DNA polymerase Adapted from N. Sato (2001) Trends in Plant Science 6: 151-156
Lack of prokaryotic DNA-binding proteins in plastids – comparative genomics cp, chloroplast genome; nuc, nuclear genome. The Cyanidioschyzon data were used as the ‘nuc’ data for Rhodo- and Chromophytes.
Presence of HU protein in cyanobacteria and rhodophyte plastids
Formation of particulate complex of purified sulfite reductase with cpDNA Water control BSA control + cpDNA (2 hr) + cpDNA (24 hr)
Models of sulfite reductases E. coli Maize
転写活性に対するヘパリンとSiRの効果 Approximately, 10 sugar residues of heparin counteract with the action of one SiR molecule
HUとSiRの機能的比較 SiR HU
葉緑体とミトコンドリアの複製系の起源 植物・藻類では,葉緑体とミトコンドリアの複製系は極めて似ており,同一のDNA polymeraseが働いている。 しかしこのDNA polymeraseの起源は,シアノバクテリアやαプロテオバクテリアに求めることはできない。 動物や菌類と植物・藻類では,ミトコンドリアDNA polymeraseが異なっている。
Origin of NEP In angiosperm chloroplasts, two types of RNA polymerases (RNAP) are present: one is a prokaryotic RNAP called PEP, which is encoded in the chloroplast genome, while another is a phage-type RNAP called NEP, which is encoded in the nuclear genome. The phage-type RNAP consists of a single polypeptide, and functions in mitochondria of most eukaryotes including yeast and human. We analyzed the phage-type RNAP in the moss Physcomitrella patens.
Expression and purification of PpRPOT proteins Nuclear- encoded phage-type RNA polymerase of Physcomitrella patens (moss)
Enzymatic activity of the T7-type RNA polymerases in Physcomitrella 60 ng/ml 30 ng/ ml 2 mg 80 ng/ml 40 ng/ ml
NEP-dependent promoters of chloroplast genes might be specific to angiosperms NCII : Non-consensus type promoter II, which is transcribed by NEP.
Recent origin of NEP (2) The NEP, a nuclear-encoded phage-type RNA polymerase of chloroplasts, has been created by duplication of the gene encoding a mitochondrial counterpart. Phylogenetic analysis of the polymerases as well as the structure of NEP-dependent promoters suggest that this gene duplication occurred after the evolution of angiosperms. Plant & Cell Physiology 43: 245-255 (2002)
Conflicting results on the targeting of the two RNAPs of Physcomitrella patens • Kabeya and Sato (2002) Plant Cell Physiol. 43: 245-255 • Targeting to mitochondria (no targeting to chloroplasts) • Richter et al. (2002) Gene 290: 95-105 • Dual targeting (mostly to chloroplasts)
Chloroplast targeting ?? Forced translation from the first AUG
Mitochondrial targeting of the PpRPOT proteins (2) Translation within the natural context
コケでも被子植物でも これまで他のグループによって2重ターゲティングが提唱されていた,細胞核にコードされたRNA polymerase (RPOT)は,いずれもミトコンドリアだけにターゲティングされること,その理由は,本来の5’ UTRコンテキストでは,2番目のメチオニンコドンだけからしか翻訳されないためであること,が判明しいた。 従って,本来の5’ UTRを持たない人工的に作られたGFP融合タンパク質に基づくターゲティングは,正しい結果をもたらさないということが教訓である。
若いエンドウの葉では,核様体が包膜に結合している若いエンドウの葉では,核様体が包膜に結合している 播種後6日目 播種後14日目 5 µm
核様体の包膜結合に関与するDNA結合タンパク質PEND protein: Sato et al. (1993) EMBO J. 12: 555-561.
Import of the PEND protein (3) Localization of the full-length protein to the chloroplast envelope
Dual targeting of the PEND protein Initial translation product is targeted to plastid envelope. The N-terminus is processed. The C-terminus is involved in membrane-binding. If the N-terminal half of the mature PEND protein is cleaved, this polypeptide may be re-targeted to the nucleus. BnGSBF1, a PEND homolog, is supposed to act as a transcription regulator in CAB gene.
Selection of binding sites for the PEND protein (cbZIP region)