Molekularni imigranci, czyli inserty organellarne w genomie jądrowym roślin

Dorota Kannenberg-Leszczyńska; Bartosz Ulaszewski; Jarosław Burczyk

doi:10.12775/KOSMOS.2025.003

Autor

Dorota Kannenberg-Leszczyńska Katedra Genetyki, Wydział Nauk Biologicznych, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy https://orcid.org/0000-0002-4015-996X
Bartosz Ulaszewski Katedra Genetyki, Wydział Nauk Biologicznych, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy https://orcid.org/0000-0003-2981-1205
Jarosław Burczyk Katedra Genetyki, Wydział Nauk Biologicznych, Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy https://orcid.org/0000-0002-6899-2523

DOI:

https://doi.org/10.12775/KOSMOS.2025.003

Słowa kluczowe

NUMT, NUPT, insercje organellarne, genom roślinny, genomika roślin

Abstrakt

Materiał genetyczny występuje u roślin w trzech różnych organellach: jądrze komórkowym, mitochondriach oraz chloroplastach. Badania molekularne wykazały, że fragmenty materiału genetycznego organelli mogą migrować do jądra komórkowego i podlegać tam integracji z jądrowym DNA. Sekwencjonowanie genomów (czyli uzyskiwanie informacji o sekwencji nukleotydów w genomie) wykonywane obecnie przede wszystkim za pomocą metod sekwencjonowania trzeciej generacji tzw. TGS (Third Generation Sequencing) pozwala na identyfikację DNA organellarnego w genomach jądrowych. Szczególnie interesujące są inserty pochodzenia mitochondrialnego - NUMT (ang. Nuclear Mitochondrial DNA) oraz inserty chloroplastowe – NUPT (ang. Nuclear Plastid DNA). Wykazano, że zjawisko przenoszenia insertów zachodzi z różnym natężeniem u różnych gatunków. Poszukiwanie NUMT oraz NUPT stanowi obszar dla innowacyjnych badań. Analizy polegają na porównaniu sekwencji genomu chloroplastowego/mitochondrialnego z genomem jądrowym i sprawdzeniu czy fragmenty genomu organellarnego są odnajdywane w genomie jądrowym. Poznanie mechanizmów i znaczenia transferu fragmentów DNA z organelli do jądra komórkowego może doprowadzić do przełomu w rozumieniu funkcjonowania genomów roślinnych.

Bibliografia

Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J. (1990). Basic local alignment search tool. Journal of Molecular Biology 215(3): 403–410. https://doi.org/10.1016/S0022-2836(05)80360-2

Hamaji T., Smith D.R., Noguchi H., Toyoda A., Suzuki M., Kawai-Toyooka H., Nozaki H. (2013). Mitochondrial and plastid genomes of the colonial green alga Gonion pectorale give insights into the origins of organelle DNA architecture within the Volvocales. PloS ONE 8(2): e57177. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0057177

Heslop-Harrison J.S., Schwarzacher T. (2011). Organisation of the plant genome in chromosomes. The Plant Journal 66(1): 18–33. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2011.04544.x

Huang C.Y., Grünheit N., Ahmadinejad N., Timmis J.N., Martin W. (2005). Mutational decay and age of chloroplast and mitochondrial genomes transferred recently to angiosperm nuclear chromosomes. Plant Physiology 138(3): 1723–1733. https://doi.org/10.1104/pp.105.060327

Kleine T., Maier U.G., Leister D. (2009). DNA transfer from organelles to the nucleus: the idiosyncratic genetics of endosymbiosis. Annual Review of Plant Biology 60: 115–138. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.043008.092119

Ko Y., Kim S. (2016). Analysis of Nuclear Mitochondrial DNA Segments of Nine Plant Species: Size, Distribution, and Insertion Loci. Genomics & Informatics 14(3): 90–95. https://doi.org/10.5808/GI.2016.14.3.90

Lang D., Zhang S., Ren P., Liang F., Sun Z., Meng G., i in. (2020). Comparison of the two up-to-date sequencing technologies for genome assembly: HiFi reads of Pacific Biosciences Sequel II system and ultralong reads of Oxford Nanopore. GigaScience 9(12): giaa123. https://doi.org/10.1093/gigascience/giaa123

Lister D.L., Bateman J.M., Purton S., Howe C.J. (2003). DNA transfer from chloroplast to nucleus is much rarer in Chlamydomonas than in tobacco. Gene 316: 33–38. https://doi.org/10.1016/s0378-1119(03)00754-6

Lough A.N., Faries K.M., Koo D.H., Hussain A., Roark L.M., Langewisch T.L., i in. (2015). Cytogenetic and Sequence Analyses of Mitochondrial DNA Insertions in Nuclear Chromosomes of Maize. G3: Genes, Genomes, Genetics 5(11): 2229–2239. https://doi.org/10.1534/g3.115.020677

Matsunaga S., Katagiri Y., Nagashima Y., Sugiyama T., Hasegawa J., Hayashi K., Sakamoto T. (2013). New insights into the dynamics of plant cell nuclei and chromosomes. International Review of Cell and Molecular Biology 305: 253–301. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-407695-2.00006-8

Michalovova M., Vyskot B., Kejnovsky E. (2013). Analysis of plastid and mitochondrial DNA insertions in the nucleus (NUPTs and NUMTs) of six plant species: size, relative age and chromosomal localization. Heredity 111(4): 314–320. https://doi.org/10.1038/hdy.2013.51

Needleman S.B., Wunsch C.D. (1970). A general method applicable to the search for similarities in the amino acid sequence of two proteins. Journal of Molecular Biology 48(3): 443–453. https://doi.org/10.1016/0022-2836(70)90057-4

Richly E., Leister D. (2004). NUPTs in sequenced eukaryotes and their genomic organization in relation to NUMTs. Molecular Biology and Evolution 21(10): 1972–1980. https://doi.org/10.1093/molbev/msh210

Silva S.R., Alvarenga D.O., Aranguren Y., Penha H.A., Fernandes C.C., Pinheiro D.G., i in. (2017). The mitochondrial genome of the terrestrial carnivorous plant Utricularia reniformis (Lentibulariaceae): Structure, comparative analysis and evolutionary landmarks. PLoS One 12(7): e0180484. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0180484

Smith D.R. (2011). Extending the limited transfer window hypothesis to inter-organelle DNA migration. Genome Biology and Evolution 3: 743–748. https://doi.org/10.1093/gbe/evr068

Smith D.R., Crosby K., Lee R.W. (2011). Correlation between nuclear plastid DNA abundance and plastid number supports the limited transfer window hypothesis. Genome Biology and Evolution 3: 365–371. https://doi.org/10.1093/gbe/evr001

Stegemann S., Hartmann S., Ruf S., Bock R. (2003). High-frequency gene transfer from the chloroplast genome to the nucleus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100(15): 8828–8833. https://doi.org/10.1073/pnas.1430924100

Thorsness P.E., Fox T.D. (1990). Escape of DNA from mitochondria to the nucleus in Saccharomyces cerevisiae. Nature 346(6282): 376–379. https://doi.org/10.1038/346376a0

Timmis J.N., Ayliffe M.A., Huang C.Y., Martin W. (2004). Endosymbiotic gene transfer: Organelle genomes forge eukaryotic chromosomes. Nature Reviews Genetics 5(2): 123–135. https://doi.org/10.1038/nrg1271

van den Boogaart P., Samallo J., Agsteribbe E. (1982). Similar genes for a mitochondrial ATPase subunit in the nuclear and mitochondrial genomes of Neurospora crassa. Nature 298(5870): 187–189. https://doi.org/10.1038/298187a0

Vivante A., Brozgol E., Bronshtein I., Garini Y. (2017). Genome organization in the nucleus: From dynamic measurements to a functional model. Methods 123: 128–137. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2017.01.008

Wróbel L., Topf U., Bragoszewski P., Wiese S., Sztolsztener M.E., Oeljeklaus S., i in. (2015). Mistargeted mitochondrial proteins activate a proteostatic response in the cytosol. Nature 524(7566): 485–488. https://doi.org/10.1038/nature14951

Wang D., Lloyd A.H., Timmis J.N. (2012). Nuclear genome diversity in somatic cells is accelerated by environmental stress. Plant Signaling & Behavior 7(5): 595–597. https://doi.org/10.4161/psb.19871

Yoshida T., Furihata H.Y., Kawabe A. (2014). Patterns of genomic integration of nuclear chloroplast DNA fragments in plant species. DNA Research 21(2): 127–140. https://doi.org/10.1093/dnares/dst045

Yoshida T., Furihata H.Y., Kawabe A. (2017). Analysis of nuclear mitochondrial DNAs and factors affecting patterns of integration in plant species. Genes & Genetic Systems 92(1): 27–33. https://doi.org/10.1266/ggs.16-00039

Zhang G.J., Dong R., Lan L.N., Li S.F., Gao W.J., Niu H.X. (2020). Nuclear integrants of organellar DNA contribute to genome structure and evolution in plants. International Journal of Molecular Sciences 21(3): 707. https://doi.org/10.3390/ijms21030707

Molekularni imigranci, czyli inserty organellarne w genomie jądrowym roślin

Autor

DOI:

Słowa kluczowe

Abstrakt

Bibliografia

Pobrania

Opublikowane

Numer

Dział

Licencja

Statystyki