光合作用说基因工程.ppt

叶绿体中的有些基因具有内含子,带有真核基因的显著特点。叶绿体基因组的内含子根据它的剪接边界序列和二级结构可分为I型、Ⅱ型、III型和Ⅳ型四种,I型和Ⅱ型内含子与核基因组和真菌线粒体的I型和Ⅱ型内含子二级结构相似,IⅡ型内含子边界保守序列为GTGYGRY(5′端)和RYCNAYY(Y)YNAY(3′端),该类内含子的二级结构类似于Ⅱ型内含子,IV型内含子由于大小相似(95~109bp)而被单独列为一类。高等植物叶绿体基因内含子许多是Ⅱ型内含子,叶绿体的内含子主要存在于编码蛋白的基因和tRNA基因上。 叶绿体DNA大约含有60到200个基因,从功能上说,叶绿体基因大致可分为3大类： 第一类是叶绿体遗传系统相关基因,如编码rRNA、tRNA、核糖体蛋白、起始因子等基因; 第二类是与光合作用相关基因; 第三类是与氨基酸、脂类、电子传递功能和色素生物合成有关基因。 rrn基因 叶绿体的rrn基因即核糖体RNA(即rRNA)基因,高等植物rRNA基因主要编码16S、23S、4.5s和5S rRNA。叶绿体核糖体的沉降系数大约是70S,其中50S亚基主要包括23S、4.5S和5S rRNA,30S亚基仅包括16S rRNA 玉米的rrn基因位于IR区,所以每个基因有两个拷贝,而有些没有IR序列的植物如蚕豆等只有一个拷贝的rrn基因。 许多高等植物rrn基因之间存在明显的间隔区,例如玉米的叶绿体rrn基因的结构是16S rrn(1490bp)间隔区(2100bp) -23s rrn (2890bp) -4.5S rrn(95bp)-间隔区(231bp)-5S rrn(122bp),一些tRNA基因分布在这个基因簇的间隔区中,如玉米的trn I和trn A基因就存在于16S和23Srrn基因的间隔区。 trn基因 叶绿体trn基因指的是转录成tRNA的基因。叶绿体大约有20-40个trn基因，烟草中有30个trn基因，和烟草相比，地钱中有一个烟草中没有的trn基因，该基因转录为tRNAArg(CCG），叶绿体申蛋白质合成所需要的tRNA都由叶绿体基因组编码。叶绿体trn基因编码的tRNA都没有3′CCA端。叶绿体trn基因比较集中在IR区。一些trn基因具有内含子,如玉米叶绿体中trnG-UCC基因在D环区内有一个内含子,这是叶绿体所特有的tRNA基因结构特征。 叶绿体23Srrn基因存在的保守区编码它的功能区,即核糖体蛋白的结合部位和30s-50S核糖体亚基相互作用的部位。4.5S rRNA与原核生物的23S亚基的3′端同源。从进化上说,4.5Srrn基因可能来源于23rRNA的3′端。而高等植物的5Srrn基因高度保守。 在陆地植物上,trn基因分散在整个叶绿体基因组上-在裸藻中大多数trn基因成簇存在。裸藻叶绿体基因组中在16S trn基因前导序列上存在一个tRNAIle假基因,这是首先在叶绿体基因组中发现的假基因。在单子叶植物中至少有5个假基因存在,这些假基因位于反向重复序列附近。 核糖体蛋白质基因的分子结构 叶绿体中约有60种不同的核糖体蛋白,但是只有约1/3的蛋白由叶绿体基因所编码。叶绿体核糖体蛋白基因与大肠杆菌该类基因的同源性要低于rrn基因,分析一些核糖体蛋白基因的组成,大约与大肠杆菌的同源性在50%左右。其中,叶绿体rps23操纵子的顺反子排列和大肠杆菌的S10、spc和a操纵子中的同源顺反子相似,也说明叶绿体和大肠杆菌基因组可能起源于同一套祖先基因组。 但是,叶绿体中有些核糖体蛋白和任何细菌的核糖体蛋白都没有相似性,也展示了叶绿体核糖体蛋白独特的一面。核糖体蛋白质基因中也发现有内含子的存在,如高等植物叶绿体中的核糖体蛋白基因rps16和rpl16各含有一个内含子。 其他蛋白质基因的分子结构 现在,已经有很多编码蛋白质的基因在叶绿体中被分离出来,如光合作用相关基因Rubisco大亚基rbcl基因、光合系统I和Ⅱ基因、细胞色素b/f复合体基因(pet或psb)、翻译因子基因、NADH脱氢酶基因(ndh)、ATP合成酶亚基(atp)基因等。这些基因都是由叶绿体基因编码的,有的含有内含子。拟南芥叶绿体基因组可以编码79种蛋白质。 通过对叶绿体基因的分析表明叶绿体基因与细菌基因具有很大的相似性,主要表现在以下几点,一是启动子序列中有类似细菌基困的―10区和―35区的结构,但位置可能有所差异;二是转录终止序列的转录终止位点存在互补序列,可形成与细菌类似的转录终止茎环结构;三是转录产物中含有类似细菌的SD序列,与翻译起始有关;四是有些相邻基因之间共转录形成顺反子(cistron),所以翻译起始和终止密码子有时重叠;五是叶绿体蛋白质翻译起始的氨基酸为甲酰蛋氨