Inligting

10.1: Die struktuur en funksie van sellulêre genome - Biologie

10.1: Die struktuur en funksie van sellulêre genome - Biologie


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Leerdoelwitte

  • Definieer geen en genotipe en onderskei genotipe van fenotipe
  • Beskryf chromosoomstruktuur en -verpakking
  • Vergelyk prokariotiese en eukariotiese chromosome
  • Verduidelik hoekom ekstrachromosomale DNA belangrik is in 'n sel

Tot dusver het ons die struktuur en funksie van individuele stukke DNA en RNA bespreek. In hierdie afdeling sal ons bespreek hoe al 'n organisme se genetiese materiaal - wat gesamentlik na verwys word as sy genoom - binne-in die sel georganiseer is. Aangesien 'n organisme se genetika in 'n groot mate sy eienskappe dikteer, behoort dit nie verbasend te wees dat organismes verskil in die rangskikking van hul DNA en RNA nie.

Genotipe versus fenotipe

Alle sellulêre aktiwiteite word binne 'n sel se DNA geënkodeer. Die volgorde van basisse binne 'n DNA-molekule verteenwoordig die genetiese inligting van die sel. Segmente van DNA-molekules word gene genoem, en individuele gene bevat die instruksiekode wat nodig is vir die sintetisering van verskeie proteïene, ensieme of stabiele RNA-molekules.

Die volle versameling gene wat 'n sel binne sy genoom bevat, word sy genotipe genoem. 'n Sel druk egter nie al sy gene gelyktydig uit nie. In plaas daarvan skakel dit sekere gene aan (uitdruk) of skakel dit af wanneer nodig. Die stel gene wat op enige gegewe tydstip uitgedruk word, bepaal die sel se aktiwiteite en sy waarneembare eienskappe, waarna verwys word as sy fenotipe. Gene wat altyd uitgedruk word, staan ​​bekend as konstitutiewe gene; sommige samestellende gene staan ​​bekend as huishoudelike gene omdat hulle nodig is vir die basiese funksies van die sel.

Terwyl die genotipe van 'n sel konstant bly, kan die fenotipe verander in reaksie op omgewingseine (bv. veranderinge in temperatuur of beskikbaarheid van voedingstowwe) wat beïnvloed watter nie-konstitutiewe gene uitgedruk word. Byvoorbeeld, die orale bakterie Streptococcus mutans produseer 'n taai slymlaag wat dit toelaat om aan tande te kleef, en vorm tandplak; die gene wat die produksie van die slymlaag beheer, word egter slegs in die teenwoordigheid van sukrose (tafelsuiker) uitgedruk. Dus, terwyl die genotipe van S. mutans konstant is, verander die fenotipe na gelang van die teenwoordigheid en afwesigheid van suiker in sy omgewing. Temperatuur kan ook geenuitdrukking reguleer. Byvoorbeeld, die gram-negatiewe bakterie Serratia marcescens, 'n patogeen wat gereeld met hospitaalverworwe infeksies geassosieer word, produseer 'n rooi pigment by 28 °C maar nie by 37 °C nie, die normale interne temperatuur van die menslike liggaam (Figuur (PageIndex{1})).

Organisasie van genetiese materiaal

Die oorgrote meerderheid van 'n organisme se genoom is georganiseer in die sel se chromosome, wat diskrete DNA-strukture binne selle is wat sellulêre aktiwiteit beheer. Onthou dat terwyl eukariotiese chromosome in die membraangebonde kern gehuisves word, bevat die meeste prokariote 'n enkele, sirkelvormige chromosoom wat gevind word in 'n area van die sitoplasma wat die nukleoïed genoem word (sien Unieke kenmerke van prokariotiese selle). 'n Chromosoom kan etlike duisende gene bevat.

Organisasie van Prokariotiese Chromosome

Chromosome in bakterieë en archaea is gewoonlik sirkelvormig, en 'n prokariotiese sel bevat tipies slegs 'n enkele chromosoom binne die nukleoïed. Omdat die chromosoom slegs een kopie van elke geen bevat, is prokariote haploïed. Soos in eukariotiese selle, is DNA-supercoiling nodig vir die genoom om binne die prokariotiese sel te pas. Die DNS in die bakteriële chromosoom is in verskeie supergedraaide domeine gerangskik. Soos met eukariote, is topoisomerases betrokke by supercoiling DNA. DNA-gyrase is 'n tipe topoisomerase, wat in bakterieë en sommige archaea voorkom, wat help om die oorspoel van DNA te voorkom. (Sommige antibiotika maak bakterieë dood deur DNS-girase te teiken.) Daarbenewens bind histoonagtige proteïene DNS en help met DNS-verpakking. Ander proteïene bind aan die oorsprong van replikasie, die plek in die chromosoom waar DNA-replikasie begin. Omdat verskillende streke van DNA verskillend verpak word, is sommige streke van chromosomale DNA meer toeganklik vir ensieme en kan dus makliker as sjablone vir geenuitdrukking gebruik word. Interessant genoeg, verskeie bakterieë, insluitend Helicobacter pylori en Shigella flexneri, is getoon om epigenetiese veranderinge in hul gashere te veroorsaak tydens infeksie, wat lei tot chromatienhermodellering wat langtermyn-effekte op gasheer-immuniteit kan veroorsaak.2

Oefening ( PageIndex {1} )

  1. Wat is die verskil tussen 'n sel se genotipe en sy fenotipe?
  2. Hoe pas DNA binne selle?

Ekstrachromosomale DNA

Alhoewel die meeste DNA in 'n sel se chromosome voorkom, het baie selle addisionele DNA-molekules buite die chromosome, genoem ekstrachromosomale DNA, wat ook deel van sy genoom is. Die genome van eukariotiese selle sal ook die chromosome van enige organelle soos mitochondria en/of chloroplaste insluit wat hierdie selle onderhou (Figuur (PageIndex{3})). Die instandhouding van sirkelvormige chromosome in hierdie organelle is 'n oorblyfsel van hul prokariotiese oorsprong en ondersteun die endosimbiotiese teorie (sien Grondslae van Moderne Selteorie). In sommige gevalle kan genome van sekere DNS-virusse ook onafhanklik in gasheerselle in stand gehou word tydens latente virale infeksie. In hierdie gevalle is hierdie virusse 'n ander vorm van ekstrachromosomale DNA. Byvoorbeeld, die menslike papillomavirus (HPV) kan op hierdie manier in besmette selle in stand gehou word.

Benewens chromosome, het sommige prokariote ook kleiner lusse DNA wat plasmiede genoem word, wat een of 'n paar gene kan bevat wat nie noodsaaklik is vir normale groei nie ([skakel]). Bakterieë kan hierdie plasmiede met ander bakterieë uitruil in 'n proses wat bekend staan ​​as horisontale geenoordrag (HGT). Die uitruil van genetiese materiaal op plasmiede voorsien mikrobes soms van nuwe gene wat voordelig is vir groei en oorlewing onder spesiale toestande. In sommige gevalle kan gene wat van plasmiede verkry word, kliniese implikasies hê, wat vir virulensiefaktore kodeer wat 'n mikrobe die vermoë gee om siektes te veroorsaak of 'n mikrobe weerstand teen sekere antibiotika maak. Plasmiede word ook baie in genetiese ingenieurswese en biotegnologie gebruik as 'n manier om gene van een sel na 'n ander te verskuif. Die rol van plasmiede in horisontale geenoordrag en biotegnologie sal verder bespreek word in Mechanisms of Microbial Genetics and Modern Applications of Microbial Genetics.

Oefening ( PageIndex {3} )

Hoe is plasmiede betrokke by antibiotika weerstand?

DODELIKE PLASMIDE

Maria, 'n 20-jarige antropologiestudent van Texas, het onlangs siek geword in die Afrika-nasie Botswana, waar sy navorsing gedoen het as deel van 'n studie-in die buiteland program. Maria se navorsing was gefokus op tradisionele Afrika-metodes om huide vir die vervaardiging van leer te looi. Oor ’n tydperk van drie weke het sy daagliks ’n paar uur lank ’n looiery besoek om die looiery-proses waar te neem en deel te neem. Eendag, nadat sy van die looiery teruggekeer het, het Maria koors, koue rillings en hoofpyn ontwikkel, saam met borspyn, spierpyne, naarheid en ander griepagtige simptome. Aanvanklik was sy nie bekommerd nie, maar toe haar koors toegeneem het en sy bloed begin hoes het, het haar Afrika-gasgesin bekommerd geraak en haar na die hospitaal gehaas, waar haar toestand aanhou vererger het.

Nadat die dokter van haar onlangse werk by die leerlooiery geleer het, het die dokter vermoed dat Maria aan miltsiekte blootgestel is. Hy het 'n borskas X-straal, 'n bloedmonster en 'n ruggraatkraan bestel en haar dadelik met 'n intraveneuse penisillienkursus begin. Ongelukkig het laboratoriumtoetse die dokter se vermoedelike diagnose bevestig. Maria se borskas X-straal het pleurale effusie getoon, die ophoping van vloeistof in die spasie tussen die pleurale membrane, en 'n Gram-vlek van haar bloed het die teenwoordigheid van gram-positiewe, staafvormige bakterieë in kort kettings geopenbaar, in ooreenstemming met Bacillus anthracis. Daar is ook getoon dat bloed en bakterieë in haar serebrospinale vloeistof teenwoordig is, wat daarop dui dat die infeksie tot breinvliesontsteking gevorder het. Ten spyte van ondersteunende behandeling en aggressiewe antibiotika-terapie, het Maria in 'n toestand wat nie reageer nie, gegly en drie dae later gesterf.

Miltsiekte is 'n siekte wat veroorsaak word deur die bekendstelling van endospore van die gram-positiewe bakterie B. anthracis in die liggaam in. Sodra hulle besmet is, ontwikkel pasiënte tipies meningitis, dikwels met noodlottige gevolge. In Maria se geval het sy die endospore ingeasem terwyl sy die velle van diere wat besmet was, hanteer het.

Die genoom van B. anthracis illustreer hoe klein strukturele verskille kan lei tot groot verskille in virulensie. In 2003 het die genome van B. anthracis en Bacillus cereus, 'n soortgelyke maar minder patogene bakterie van dieselfde genus, is opeenvolgend en vergelyk.4Navorsers het ontdek dat die 16S rRNA-geenvolgorde van hierdie bakterieë meer as 99% identies is, wat beteken dat hulle eintlik lede van dieselfde spesie is ten spyte van hul tradisionele klassifikasie as aparte spesies. Alhoewel hul chromosomale volgordes ook 'n groot mate van ooreenkoms geopenbaar het, het verskeie virulensiefaktore van B. anthracis Daar is gevind dat dit gekodeer is op twee groot plasmiede wat nie in gevind is nie B. cereus. Die plasmied pX01 kodeer 'n drie-deel toksien wat die gasheer immuunstelsel onderdruk, terwyl die plasmied pX02 'n kapsulêre polisakkaried kodeer wat die bakterie verder beskerm teen die gasheer immuunstelsel (Figuur (PageIndex{4})). Sedert B. cereus hierdie plasmiede ontbreek, produseer dit nie hierdie virulensiefaktore nie, en hoewel dit steeds patogenies is, word dit tipies geassosieer met ligte gevalle van diarree waarvan die liggaam vinnig kan herstel. Ongelukkig vir Maria, die teenwoordigheid van hierdie toksien-koderende plasmiede in B. anthracis gee dit sy dodelike virulensie.

Oefening ( PageIndex {4} )

Wat dink jy sal gebeur met die patogenisiteit van B. anthracis as dit een of albei sy plasmiede verloor het?

Virale genome

Virale genome vertoon aansienlike diversiteit in struktuur. Sommige virusse het genome wat uit DNA as hul genetiese materiaal bestaan. Hierdie DNA kan enkelstrengs wees, soos geïllustreer deur menslike parvovirusse, of dubbelstrengs, soos gesien in die herpesvirusse en pokkevirusse. Daarbenewens, alhoewel alle sellulêre lewe DNA as sy genetiese materiaal gebruik, word sommige virale genome gemaak van óf enkelstring- óf dubbelstrengs RNA-molekules, soos ons bespreek het. Virale genome is tipies kleiner as die meeste bakteriese genome, wat slegs vir 'n paar gene kodeer, omdat hulle op hul gashere staatmaak om baie van die funksies uit te voer wat nodig is vir hul replikasie. Die diversiteit van virale genoomstrukture en hul implikasies vir virale replikasie lewensiklusse word in meer besonderhede in The Viral Life Cycle bespreek.

Oefening (PageIndex{5})

Waarom verskil virale genome baie tussen virusse?

GENOME GROOTTE SAKE

Daar is groot variasie in grootte van genome tussen verskillende organismes. Die meeste eukariote handhaaf veelvuldige chromosome; mense het byvoorbeeld 23 pare, wat hulle 46 chromosome gee. Ten spyte daarvan dat dit groot is met 3 miljard basispare, is die menslike genoom ver van die grootste genoom. Plante handhaaf dikwels baie groot genome, tot 150 miljard basispare, en is gewoonlik poliploïed, met veelvuldige kopieë van elke chromosoom.

Die grootte van bakteriese genome verskil ook aansienlik, hoewel hulle geneig is om kleiner as eukariotiese genome te wees (Figuur (PageIndex{5})). Sommige bakteriese genome kan so klein as net 112 000 basispare wees. Dikwels hou die grootte van 'n bakterie se genoom direk verband met hoeveel die bakterie van sy gasheer afhanklik is vir oorlewing. Wanneer 'n bakterie op die gasheersel staatmaak om sekere funksies uit te voer, verloor dit die gene wat kodeer vir die vermoë om daardie funksies self uit te voer. Hierdie tipe bakteriële endosimbionte herinner aan die prokariotiese oorsprong van mitochondria en chloroplaste.

Vanuit 'n kliniese perspektief is verpligte intrasellulêre patogene ook geneig om klein genome te hê (sowat ongeveer 1 miljoen basispare). Omdat gasheerselle die meeste van hul voedingstowwe verskaf, is hulle geneig om 'n verminderde aantal gene te hê wat metaboliese funksies kodeer. As gevolg van hul klein groottes hou die genome van organismes Mycoplasma genitalium (580 000 basispare), Chlamydia trachomatis (1,0 miljoen), Rickettsia prowazekii (1,1 miljoen), en Treponema pallidum (1,1 miljoen) was van die vroeëre bakteriese genome wat in volgorde gerangskik is. Hierdie patogene veroorsaak onderskeidelik uretritis en bekkenontsteking, chlamydia, tifus en sifilis.

Terwyl verpligte intrasellulêre patogene buitengewoon klein genome het, het ander bakterieë met 'n groot verskeidenheid metaboliese en ensiematiese vermoëns buitengewoon groot bakteriese genome. Pseudomonas aeruginosa, byvoorbeeld, is 'n bakterie wat algemeen in die omgewing voorkom en is in staat om op 'n wye reeks substrate te groei. Sy genoom bevat 6,3 miljoen basispare, wat dit 'n hoë metaboliese vermoë gee en die vermoë om virulensiefaktore te produseer wat verskeie tipes opportunistiese infeksies veroorsaak.

Interessant genoeg was daar ook aansienlike variasie in genoomgrootte in virusse, wat wissel van 3 500 basispare tot 2,5 miljoen basispare, wat die grootte van baie bakteriese genome aansienlik oorskry. Die groot variasie wat in virale genoomgroottes waargeneem word, dra verder by tot die groot diversiteit van virale genoomkenmerke wat reeds bespreek is.

Besoek die genoomdatabasis van die Nasionale Sentrum vir Biotegnologie-inligting (NCBI) om die genome wat opeenvolgend is en hul groottes te sien.

Belangrike konsepte en opsomming

  • Die hele genetiese inhoud van 'n sel is sy genoom.
  • Gene kode vir proteïene, of stabiele RNA-molekules, wat elkeen 'n spesifieke funksie in die sel verrig.
  • Alhoewel die genotipe wat 'n sel besit, bly konstant, uitdrukking van gene is afhanklik van omgewingstoestande.
  • A fenotipe is die waarneembare kenmerke van 'n sel (of organisme) op 'n gegewe tydstip en spruit uit die komplement van gene wat tans gebruik word.
  • Die meerderheid van genetiese materiaal is georganiseer in chromosome wat die DNA bevat wat sellulêre aktiwiteite beheer.
  • Prokariote is tipies haploïed, met gewoonlik 'n enkele sirkelvormige chromosoom wat in die nukleoïed gevind word. Eukariote is diploïed; DNA is georganiseer in veelvuldige lineêre chromosome wat in die kern gevind word.
  • Supercoiling en DNA-verpakking met behulp van DNA-bindende proteïene laat lang molekules in 'n sel pas. Eukariote en archaea gebruik histoonproteïene, en bakterieë gebruik verskillende proteïene met soortgelyke funksie.
  • Prokariotiese en eukariotiese genome bevat beide nie-koderende DNA, waarvan die funksie nie goed verstaan ​​word nie. Sommige niekoderende DNA blyk deel te neem aan die vorming van klein niekoderende RNA-molekules wat geenuitdrukking beïnvloed; sommige speel blykbaar 'n rol in die handhawing van chromosomale struktuur en in DNS-verpakking.
  • Ekstrachromosomale DNA in eukariote sluit die chromosome in wat gevind word in organelle van prokariotiese oorsprong (mitochondria en chloroplaste) wat deur endosimbiose ontwikkel het. Sommige virusse kan hulself ook ekstrachromosomaal handhaaf.
  • Ekstrachromosomale DNA in prokariote word algemeen onderhou as plasmiede wat 'n paar nie-noodsaaklike gene kodeer wat nuttig kan wees onder spesifieke omstandighede. Plasmiede kan deur 'n bakteriese gemeenskap versprei word deur horisontale geenoordrag.
  • Virale genome toon uitgebreide variasie en kan saamgestel word uit óf RNA óf DNA, en kan óf dubbel- óf enkelstrengig wees.

Voetnote

  1. 1 Nasionale Menslike Genoom Navorsingsinstituut. "Voltooiing van die menslike genoomprojek: gereelde vrae." https://www.genome.gov/11006943. Toegang op 10 Junie 2016
  2. 2 H. Bierne et al. "Epigenetika en bakteriese infeksies." Cold Spring Harbor Perspektiewe in Geneeskunde 2 nr. 12 (2012):a010272.
  3. 3 R.J. Taft et al. "Die verhouding tussen nie-proteïen-koderende DNA en eukariotiese kompleksiteit." Bioessays 29 nr. 3 (2007):288–299.
  4. 4 N. Ivanova et al. “Genome volgorde van Bacillus cereus en Vergelykende Analise met Bacillus anthracis.” Natuur 423 nr. 6935 (2003):87–91.

Verwante hulpbronne

Instrukteur
Student

Koop albei en bespaar 25%!

Hierdie item: Ontleding van gene en genome

Kan nie met enige ander aanbiedinge gekombineer word nie.

Koop albei en bespaar 25%!

Hierdie item: Ontleding van gene en genome

Kan nie met enige ander aanbiedinge gekombineer word nie.


Die verdeelde bakteriese genoom: struktuur, funksie en evolusie

Ongeveer 10% van bakteriese genome word verdeel tussen twee of meer groot DNS-fragmente, 'n genoomargitektuur wat na verwys word as 'n veelparty-genoom. Hierdie veelparty-organisasie word in baie belangrike organismes aangetref, insluitend plantsimbiote, soos die stikstofbindende rhizobia, en plant-, dier- en menslike patogene, insluitend die genera Brucella, Vibrio, en Burkholderia. Die beskikbaarheid van baie volledige bakteriese genoomvolgordes beteken dat ons nou op 'n breë skaal die eienskappe van die verskillende tipes DNS-molekules in 'n genoom kan ondersoek. Onlangse werk het begin om lig te werp op die unieke eienskappe van elke klas replikon, die unieke funksionele rol van chromosomale en nie-chromosomale DNS-molekules, en hoe die ontginning van nuwe nisse die evolusie van die veelparty-genoom moontlik gedryf het. Die doel van hierdie oorsig is om (i) die literatuur oor bakteriële genome wat in veelvuldige fragmente verdeel is uiteen te sit, (ii) 'n meta-analise van voltooide bakteriese genome van 1 708 spesies te verskaf as 'n manier om die oorvloedige inligting wat in hierdie genoom teenwoordig is, te hersien. volgordes, en (iii) 'n omvattende model te verskaf om die evolusie en funksie van die veelledige genoomstruktuur te verduidelik. Hierdie oorsig dek, onder andere onderwerpe, opvallende genoom terminologie meganismes van meervoudige genoom vorming die filogenetiese verspreiding van meervoudige genome hoe elke deel van 'n genoom verskil met betrekking tot genomiese handtekeninge, genetiese veranderlikheid en geen funksionele annotasie hoe elke DNA molekule ook kan interaksie hê as die koste en voordele van hierdie genoomstruktuur.

Sleutelwoorde: genoomanalise genoomorganisasie genomika megaplasmiede bevolkingsgenetika sekondêre chromosoom sekondêre replikons.

Kopiereg © 2017 American Society for Microbiology.

Syfers

Besluitkaart vir die klassifikasie...

Besluitkaart vir die klassifikasie van bakteriese replikons. Hierdie vloeidiagram illustreer die...

Grootteverspreidings van bakteriese genome...

Grootteverspreidings van bakteriese genome en replikons. Hierdie histogramme vertoon die grootteverdelings ...

Synteny-analise van die S.…

Sintenie-analise van die S. meliloti-genoom. Die S. meliloti Rm1021 genoom was...

Verspreiding van veelparty-genome regdeur ...

Verspreiding van meerparty-genome deur die bakteriese filogenie. 'n Filogenetiese verspreiding van 1 708...

Genomiese handtekeninge van bakteriese sekondêre ...

Genomiese handtekeninge van bakteriese sekondêre replikons. Die ontleding is gebaseer op een verteenwoordiger ...

Grootteverspreiding van enkelchromosome...

Grootteverspreiding van enkelchromosome teenoor meerparty-genome. Die histogramme vertoon die verspreidings...

Vergelyking van chromied en chromosoom...

Vergelyking van chromied- en chromosoomgroottes. Alle chromiede van een verteenwoordigende genoom van ...

Beskryfde model van veelparty-genoom ...

Beskrewe model van meervoudige genoom-evolusie. Getoon is 'n skema van die voorgestelde...


Struktuur en funksie van die bakteriese ontkappingsensiem NudC

RNA-afdekking en -afkapping word beskou as kenmerkende kenmerke van eukariote. Daar is onlangs ontdek dat die redokskofaktor NAD op 'n dop-agtige wyse aan klein regulerende RNA's in bakterieë geheg is, en daar is gevind dat Nudix-hidrolase NudC as 'n NAD-ontdekkende ensiem optree in vitro en in vivo. Hier is kristalstrukture van Escherichia coli NudC in kompleks met substraat NAD en met splitsingsproduk NMN openbaar die katalitiese oorblyfsels wat die bindingsak voer en beginsels onderliggend aan molekulêre herkenning van substraat en produk. Biochemiese mutasie-analise identifiseer die bewaarde Nudix-motief as die katalitiese sentrum van die ensiem, wat homodimeer moet wees, aangesien die katalitiese sak uit aminosure van beide monomere saamgestel is. NudC is enkelstring-spesifiek en het 'n purienvoorkeur vir die 5'-terminale nukleotied. Die ensiem verkies sterk NAD-gekoppelde RNA (NAD–RNA) bo NAD en bind op 'n onspesifieke wyse aan 'n diverse stel sellulêre RNA's.


Genome in Chloroplast en Mitochondria DNA | Genetika

In hierdie artikel sal ons die genome in chloroplast-DNS en mitochondria-DNS bespreek.

Die verskynsel van buitekernoorerwing gebaseer op oordrag van sigbare fenotipes deur mitochondria en chloroplaste. Studies in die 70's het die teenwoordigheid van DNA in hierdie organelle aan die lig gebring. Beide mitochondria en chloroplaste is slegs teenwoordig in selle van laer en hoër eukariotiese organismes. Gedetailleerde studies het vasgestel dat DNS in hierdie organelle soortgelyk is aan die DNS in prokariotiese bakterieë.

Die genome van beide mitochondria en chloroplaste kodeer vir al hul RNA-spesies en sommige proteïene wat betrokke is by die funksie van die organelle. Die DNS is in die vorm van 'n sirkelvormige dupleksmolekule, behalwe in sommige laer eukariote waarin mitochondriale DNS lineêr is.

Elke organel bevat verskeie kopieë van die genoom, en omdat daar verskeie organelle per sel is, vorm organel DNA 'n herhalende volgorde. Mitochondriale DNA (mtDNA) verskil enorm in grootte, terwyl chloroplast DNA (ctDNA) in grootte wissel tussen 120 en 200 kb.

Chloroplast DNA:

Chloroplaste is teenwoordig in groen plante en fotosintetiese protiste. ctDNA-volgorde wat in 'n aantal plante bestudeer is, dui op eenvormigheid in grootte en organisasie. Die verskille in grootte is hoofsaaklik te wyte aan die verskille in lengtes van introne en inter-geniese streke sowel as die aantal gene. Alle cp DNA's bevat 'n beduidende deel van niekoderende DNA-volgordes.

Die ctDNA is dubbelstrengs sirkelvormig en sonder histone en ander proteïene. In baie gevalle verskil die GC-inhoud van cpDNA van dié van kern-DNS en mitochondriale DNA. Volledige cpDNA-volgordes is in tabak (155, 844 bp) en rys (135, 42 bp) bepaal.

Veelvuldige kopieë van cpDNA is teenwoordig in die nukleoïedgebied van elke chloroplast. In die groen alg Chlamydomonas bevat een chloroplast 500 tot 1500 cpDNA-molekules. Chloroplaste verdeel deur te groei en dan in twee dogterchloroplaste te verdeel.

Die proporsie introne in chloroplast-DNS kan hoog wees, 38% in Euglena. Onder die uitgedrukte gene in chloroplastgenoom kodeer 70 tot 90% van die gene proteïene insluitend dié wat by fotosintese betrokke is, vier gene kodeer vir rRNA's (een elk vir 16S, 23S, 4.5S en 5S), en ongeveer 30 gene kodeer vir tRNA's.

Chloroplastgenoom bevat ook gene vir sommige van die proteïene wat benodig word vir transkripsie en vertaling van die gekodeerde gene, en die belangrikste, gene vir fotosintese. Die meeste van die proteïene in chloroplaste word deur die kerngene gekodeer. Die mRNA-transkripsies van die chloroplastgene word volgens die standaard genetiese kode vertaal.

Daar word egter gevind dat die primêre strukture van verskeie RNA-transkripsies deur redigering gaan wat bestaan ​​uit C na U-oorgange, wat veroorsaak dat mRNA-volgorde van die volgorde in die ooreenstemmende geen afwyk. Redigering maak dit moeilik om chloroplast-nukleotiedvolgordes in aminosuurvolgordes van die ooreenstemmende proteïen om te skakel.

Die meeste van die cpDNA's wat bestudeer is, deel 'n gemeenskaplike kenmerk, dit wil sê, 'n 10 tot 24 kb segment teenwoordig in twee identiese kopieë as 'n omgekeerde herhaling. Die cpDNA bevat ook twee kopieë van elk van die rRNA-gene wat in hierdie twee identiese herhalende rye in 'n omgekeerde oriëntasie geleë is.

Ander gene wat in die herhaalde volgorde gevind word, word dus ook in die chloroplastgenoom gedupliseer. Die ligging van hierdie herhalings definieer 'n kort enkelkopie (SSC) streek en 'n lang enkelkopie (LSC) streek in chloroplastgenoom.

Chloroplast proteïensintese gebruik organel-spesifieke 70S ribosome wat bestaan ​​uit 50S en 30S subeenhede. Die 50S subeenheid bevat een kopie elk van 23S, 5S en 4.5S rRNA's, terwyl die 30S subeenheid een kopie van 'n 16S rRNA bevat.

Onder die ribosomale proteïene word sommige deur die kern-DNS gekodeer, sommige deur die chloroplastgenoom. Ongeveer 100 oop leesrame (ORF's), vermoedelike proteïenkoderende gene, is deur rekenaaranalise geïdentifiseer. Proteïensintese is soortgelyk aan dié in prokariote.

Mitochondriale DNA:

Elke menslike sel bevat honderde mitochondria wat elk veelvuldige kopieë van mitochondriale DNA's (mtDNA) bevat. Mitochondria genereer sellulêre energie deur die proses van oksidatiewe fosforilering. As 'n neweproduk produseer hulle die meeste van die endogene toksiese reaktiewe suurstofspesies. Mitochondria is ook die sentrale reguleerders van apoptose of geprogrammeerde seldood.

Hierdie onderling verwante funksionele sisteme behels aktiwiteite van ongeveer 1000 gene wat in die kerngenoom en die mitochondriale genoom versprei is. As gevolg van hul afhanklikheid van die kerngenoom, word mitochondria as semi-outonoom beskou.

Dit is getoon deur eksperimente waarin mitochondria en mtDNA van een sel na 'n ander oorgedra kon word. Die skenkersel is ontkern en sy mitochondria-bevattende sitoplast het met 'n ontvangersel saamgesmelt (tegniek van kubriedoordrag).

Die genome van mitochondria toon groot variasie veral onder plante en protiste. Die meeste mitochondriale DNA's (mtDNA) bestaan ​​uit 'n geslote sirkelvormige dubbelstrengs supergedraaide DNA-molekules wat in veelvuldige nukleoïedstreke geleë is (soortgelyk aan dié in bakteriese selle), sommige protiste het egter verskillende lengtes of veelvuldige sirkelvormige molekules van DNA soos in die tripanosome. mtDNS in die protis Amoebidium parasiticum bestaan ​​uit verskeie afsonderlike tipes lineêre molekules met terminale en sub-terminale herhalings.

Alhoewel die meeste mtDNS's in die groottereeks van 15 tot 60 kb is, is mtDNS in malariaparasiet (Plasmodium spp) slegs 6 kb lank, terwyl dié van rys (Oryza sativa) 490 kb is, en komkommers 2 Mb. Daar is ongeveer 40 tot 50 koderende gene in mitochondriale DNA, Plasmodium is 'n uitsondering met 5 koderende gene.

Die groot grootte van mitochondriale genome in plante is te wyte aan niekoderende intergeniese streke en hul inhoud van tandem-herhalings. Introne is teenwoordig in baie mtDNA's, en in sommige ongewone gevalle word die gene in soveel as 8 streke verdeel wat in die genoom versprei is en op beide stringe van die DNA geleë is. Transkripsie vind afsonderlik plaas in gedeeltes van die gesplete gene wat diskrete stukke RNA produseer wat bymekaar gehou word deur basisparing van komplementêre rye.

Die mtDNA bevat inligting vir 'n aantal mitochondriale verbindings soos tRNA's, rRNA, en sommige van die polipeptiedsubeenhede van die proteïene sitochroomoksidase, NADH-dehidrogenase en ATPase. Die meeste van die ander proteïene wat in mitochondria voorkom, word deur die kerngenoom gekodeer en na mitochondria vervoer.

Dit sluit in DNA-polimerase en ander proteïene vir mtDNA-replikasie, RNA-polimerase en ander proteïene vir transkripsie, ribosomale proteïene vir ribosoomsamestelling, proteïenfaktore vir translasie en die aminoasiel-tRNA-sintetases.

Die mitochondriale oksidatiewe fosforileringskomplekse bestaan ​​uit veelvuldige polipeptiede, meestal gekodeer deur die kern DNA (nDNA). 13 polipeptiede word egter deur mtDNA gekodeer. Die mtDNA kodeer ook vir 12S en 16S rRNA's en 22 tRNA's wat benodig word vir mitochondriale proteïensintese. Die mtDNA bevat ook 'n kontrolegebied wat bestaan ​​uit ongeveer 1000 basispare wat die promotorstreek en die oorsprong van replikasie uitmaak.

Die mRNA's wat binne die mitochondria gesintetiseer word, bly in die organel en word vertaal deur mitochondriale ribosome wat binne mitochondria saamgestel is. Mitochondriale ribosome het twee subeenhede. Mitochondria in menslike selle het 60S ribosome wat bestaan ​​uit 'n 45S en 'n 35S subeenheid.

Daar is slegs twee rRNA's in mitochondriale ribosome van die meeste organismes, dit wil sê, 16S rRNA in groot subeenheid en 12S rRNA in klein subeenheid van meeste diere ribosome. Daar is gewoonlik een geen vir elke rRNA in 'n mitochondriale genoom. Die proteïene in mitochondriale ribosome word deur die kerngenoom gekodeer en vanaf die sitoplasma na mitochondria vervoer.

Mitochondriale ribosome is sensitief vir die meeste van die inhibeerders van bakteriële ribosoomfunksie soos streptomisien, neomisien en chlooramfenikol. Vir proteïensintese gebruik mitochondria van die meeste organismes 'n genetiese kode wat verskille van die universele genetiese kode toon. Slegs plantmitochondria gebruik die universele kerngenetiese kode.

Transkripsie van soogdier-mtDNA is ongewoon deurdat elke string in 'n enkele RNA-molekule getranskribeer word wat dan in kleiner stukke gesny word. In die groot RNA-transkripsies wat geproduseer word, word die meeste van die gene wat vir die rRNA's en die mRNA's kodeer, deur 'n tRNA-geen geskei.

Die tRNA's in die transkripsie word deur spesifieke ensieme herken en word uitgesny, wat net die mRNA's en die rRNA's oorbly. 'n Poli (A) stert word dan by die 3’end van elke mRNA gevoeg en CCA word by die 3’end van elke tRNA gevoeg. Daar is geen 5′ pette in mitochondriale mRNA's nie.

Mitochondriale DNS-replikasie is semi-konserwatief en gebruik DNS-polimerases wat spesifiek vir die mitochondria is. Die mtDNA repliseer dwarsdeur die selsiklus, onafhanklik van kern-DNS-sintese wat in die S-fase van selsiklus plaasvind. Waarnemings oor mtDNA-replikasie in dier mitochondria in vivo het gelei tot 'n model waarna verwys word as die verplasing lus (D lus) model soos volg (Fig. 17.6).

Die twee stringe mtDNA in die meeste diere het verskillende digthede omdat die basisse nie eweredig op beide stringe versprei is nie, genoem H (swaar) en L (lig) stringe. Die sintese van 'n nuwe H-string begin by die replikasieoorsprong vir die H-string en vorm 'n D-lusstruktuur (Fig. 17.6).

Soos die nuwe H-string tot ongeveer halfpad om die molekule strek, vind die aanvang van sintese van 'n nuwe L-string plaas by 'n tweede replikasie-oorsprong. Sintese gaan voort totdat beide stringe voltooi is. Ten slotte neem elke sirkelvormige DNA 'n supergedraaide vorm aan.

Die mtDNA word moederlik geërf en het 'n baie hoë mutasietempo. Wanneer 'n nuwe mtDNS-mutasie in 'n sel voorkom, word 'n gemengde intrasellulêre populasie van mtDNS's gegenereer, bekend as heteroplasmie. Tydens replikasie in 'n heteroplasmiese sel word die mutante en normale molekules ewekansig in dogterselle versprei.

Wanneer die persentasie mutante mtDNS's toeneem, neem die mitochondriale energieproduksievermoë af, produksie van toksiese reaktiewe suurstofspesies neem toe, en selle word meer geneig vir apoptose. Die gevolg is mitochondriale disfunksie. Weefsels wat die meeste sensitief is vir mitochondriale disfunksie is brein-, hart-, nier- en skeletspiere.

Die mtDNA-mutasies word geassosieer met 'n verskeidenheid van neuromuskulêre siekte simptome, insluitend verskeie oftalmologiese simptome, spierdegenerasie, kardiovaskulêre siektes, diabetes mellitus, nierfunksie en demensie.

Die mtDNA-siektes kan óf deur basissubstitusies óf herrangskikkingsmutasie veroorsaak word. Basisvervangingsmutasies kan óf proteïen (missense mutasie) óf rRNA's en tRNA's (proteïensintese mutasies) verander. Herrangskikkingsmutasies verwyder gewoonlik ten minste een tRNA en veroorsaak dus proteïensintese-defekte.

Missense mutasies word geassosieer met miopatie, optiese atrofie, distonie en Leigh’s sindroom. Basisvervangingsmutasies in proteïensintetiseringsgene is geassosieer met 'n wye spektrum van neuromuskulêre siektes, en die ernstiger sluit tipies mitochondriale miopatie in.

Mitochondriale siektes word ook geassosieer met 'n aantal verskillende nukleêre DNA-mutasies. Mutasies in die RNA-komponent van die mitochondriale RNAse is geïmpliseer in metafisiese chondrodysplasie of kraakbeenhaarhipoplasie wat 'n outosomale resessiewe versteuring is wat voortspruit uit mutasie in kernchromosoom 9-kortarmposisie (9p13).


Arterivirus molecular biology and pathogenesis

Arteriviruses are positive-stranded RNA viruses that infect mammals. They can cause persistent or asymptomatic infections, but also acute disease associated with a respiratory syndrome, abortion or lethal haemorrhagic fever. During the past two decades, porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) and, to a lesser extent, equine arteritis virus (EAV) have attracted attention as veterinary pathogens with significant economic impact. Particularly noteworthy were the 'porcine high fever disease' outbreaks in South-East Asia and the emergence of new virulent PRRSV strains in the USA. Recently, the family was expanded with several previously unknown arteriviruses isolated from different African monkey species. At the molecular level, arteriviruses share an intriguing but distant evolutionary relationship with coronaviruses and other members of the order Nidovirales. Nevertheless, several of their characteristics are unique, including virion composition and structure, and the conservation of only a subset of the replicase domains encountered in nidoviruses with larger genomes. During the past 15 years, the advent of reverse genetics systems for EAV and PRRSV has changed and accelerated the structure-function analysis of arterivirus RNA and protein sequences. These systems now also facilitate studies into host immune responses and arterivirus immune evasion and pathogenesis. In this review, we have summarized recent advances in the areas of arterivirus genome expression, RNA and protein functions, virion architecture, virus-host interactions, immunity, and pathogenesis. We have also briefly reviewed the impact of these advances on disease management, the engineering of novel candidate live vaccines and the diagnosis of arterivirus infection.


Verwysings

Chisholm, S. W. et al. A novel free-living prochlorophyte abundant in the oceanic euphotic zone. Natuur 334, 340–343 (1988).

Morel, A., Ahn, Y., Partensky, F., Vaulot, D. & Claustre, H. Prochlorococcus en Synechococcus: A comparative study of their optical properties in relation to their size and pigmentation. J. Mar. Res. 51, 617–649 (1993).

Flombaum, P. et al. Present and future global distributions of the marine Cyanobacteria Prochlorococcus en Synechococcus. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 110, 9824–9829 (2013). This is an extensive synthesis of the global distributions of marine picocyanobacteria, including projections about how climate change may affect their abundance and habitats.

Schattenhofer, M. et al. Latitudinal distribution of prokaryotic picoplankton populations in the Atlantic Ocean. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 2078–2093 (2009).

Partensky, F., Blanchot, J. & Vaulot, D. Differential distribution and ecology of Prochlorococcus en Synechococcus in oceanic waters: a review. Bul. l'Institut Oceanogr., Monaco 19, 457–476 (1999).

Dufresne, A. et al. Genome sequence of the cyanobacterium Prochlorococcus marinus SS120, a nearly minimal oxyphototrophic genome. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. 100, 10020–10025 (2003).

Rocap, G. et al. Genome divergence in two Prochlorococcus ecotypes reflects oceanic niche differentiation. Natuur 424, 1042–1047 (2003). This detailed comparison of genomes from representative HL- and LL-adapted strains reveals many of the fundamental genomic distinctions that correlate with their different physiologies and evolutionary histories. This work also highlights the power of comparative genomics in microbial ecology.

Goericke, R. & Repeta, D. J. The pigments of Prochlorococcus marinus: the presence of divinyl chlorophyll a en b in a marine procaryote. Limnol. Oceanogr. 37, 425–433 (1992).

Moore, L., Goericke, R. & Chisholm, S. Comparative physiology of Synechococcus en Prochlorococcus: influence of light and temperature on growth, pigments, fluorescence and absorptive properties. Marine Ecol. Progress Series 116, 259–275 (1995).

Partensky, F., Hess, W. R. & Vaulot, D. Prochlorococcus, a marine photosynthetic prokaryote of global significance. Mikrobioloë. Mol. Biol. Ds. 63, 106–127 (1999).

Partensky, F. & Garczarek, L. Prochlorococcus: Advantages and limits of minimalism. Annu. Rev. Marine. Wetenskaplike. 2, 305–331 (2010).

Huston, M. A. & Wolverton, S. The global distribution of net primary production: resolving the paradox. Ecol. Monographs 79, 343–377 (2009).

Olson, R. J., Chisholm, S., Zettler, E. R., Altabet, M. & Dusenberry, J. A. Spatial and temporal distributions of prochlorophyte picoplankton in the North Atlantic Ocean. Deep Sea Res. Part A, Oceanogr. Res. Papers 37, 1033–1051 (1990).

Vaulot, D., Marie, D., Olson, R. J. & Chisholm, S. W. Growth of Prochlorococcus, a photosynthetic prokaryote, in the equatorial pacific ocean. Wetenskap 268, 1480–1482 (1995).

Holtzendorff, J. et al. Diel expression of cell cycle-related genes in synchronized cultures of Prochlorococcus sp. strain PCC 9511. J. Bacteriol. 183, 915–920 (2001).

Holtzendorff, J. et al. Synchronized expression of ftsZ in natural Prochlorococcus populations of the Red Sea. Omgewing. Mikrobioloë. 4, 644–653 (2002).

Zinser, E. R. et al. Choreography of the transcriptome, photophysiology, and cell cycle of a minimal photoautotroph, Prochlorococcus. PLoS EEN 4, e5135 (2009).

Waldbauer, J. R., Rodrigue, S., Coleman, M. L. & Chisholm, S. W. Transcriptome and proteome dynamics of a light-dark synchronized bacterial cell cycle. PLoS EEN 7, e43432 (2012).

Ottesen, E. A. et al. Multispecies diel transcriptional oscillations in open ocean heterotrophic bacterial assemblages. Wetenskap 345, 207–212 (2014).

Simon, M., Grossart, H.-P., Schweitzer, B. & Ploug, H. Microbial ecology of organic aggregates in aquatic ecosystems. Aquat. Mikrob. Ecol. 28, 175–211 (2002).

Malfatti, F. & Azam, F. Atomic force microscopy reveals microscale networks and possible symbioses among pelagic marine bacteria. Aquat. Mikrob. Ecol. 58, 1–14 (2009).

Bertilsson, S., Berglund, O., Karl, D. & Chisholm, S. Elemental composition of marine Prochlorococcus en Synechococcus: Implications for the ecological stoichiometry of the sea. Limnol. Oceanogr. 48, 1721–1731 (2003).

Heldal, M., Scanlan, D. J., Norland, S., Thingstad, F. & Mann, N. H. Elemental composition of single cells of various strains of marine Prochlorococcus en Synechococcus using X-ray microanalysis. Limnol. Oceanogr. 48, 1732–1743 (2003).

Grob, C. et al. Elemental composition of natural populations of key microbial groups in Atlantic waters. Omgewing. Mikrobioloë. 15, 3054–3064 (2013).

Van Mooy, B. A. S., Rocap, G., Fredricks, H. F., Evans, C. T. & Devol, A. H. Sulfolipids dramatically decrease phosphorus demand by picocyanobacteria in oligotrophic marine environments. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 103, 8607–8612 (2006). This study highlights the strong selective pressure that phosphorus limitation has imposed on the evolution of Prochlorococcus.

Zwirglmaier, K. et al. Global phylogeography of marine Synechococcus en Prochlorococcus reveals a distinct partitioning of lineages among oceanic biomes. Omgewing. Mikrobioloë. 10, 147–161 (2008).

Moore, L. R., Rocap, G. & Chisholm, S. W. Physiology and molecular phylogeny of coexisting Prochlorococcus ecotypes. Natuur 393, 464–467 (1998). This study demonstrates that genetically distinct Prochlorococcus strains isolated from the same water sample have distinct light adaptations. This set the stage for the development of Prochlorococcus as a model system that could be used to link field observations with physiological properties that are determined through the study of laboratory cultures.

Scanlan, D. J. & West, N. J. Molecular ecology of the marine cyanobacterial genera Prochlorococcus en Synechococcus. FEMS mikrobiool. Ecol. 40, 1–12 (2002).

Ahlgren, N. A., Rocap, G. & Chisholm, S. W. Measurement of Prochlorococcus ecotypes using real-time polymerase chain reaction reveals different abundances of genotypes with similar light physiologies. Omgewing. Mikrobioloë. 8, 441–454 (2006).

Zinser, E. R. et al. Influence of light and temperature on Prochlorococcus ecotype distributions in the Atlantic Ocean. Limnol. Oceanogr. 52, 2205–2220 (2007).

West, N. J. & Scanlan, D. J. Niche-partitioning of Prochlorococcus populations in a stratified water column in the Eastern North Atlantic Ocean. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 65, 2585–2591 (1999). This article provides the first description of how different Prochlorococcus ecotypes partition in the water column.

West, N. J. et al. Closely related Prochlorococcus genotypes show remarkably different depth distributions in two oceanic regions as revealed by in situ hybridization using 16S rRNA-targeted oligonucleotides. Mikrobiologie 147, 1731–1744 (2001).

Johnson, Z. I. et al. Niche partitioning among Prochlorococcus ecotypes along ocean-scale environmental gradients. Wetenskap 311, 1737–1740 (2006). This study showed that temperature correlated with the distribution of HL-adapted Prochlorococcus ecotypes along ocean gradients and provided evidence that the physiology of cells in culture is consistent with their distributions in the wild.

Zwirglmaier, K. et al. Basin-scale distribution patterns of picocyanobacterial lineages in the Atlantic Ocean. Omgewing. Mikrobioloë. 9, 1278–1290 (2007).

Malmstrom, R. R. et al. Temporal dynamics of Prochlorococcus ecotypes in the Atlantic and Pacific oceans. ISME J. 4, 1252–1264 (2010). Using data from two long-term ocean time-series stations, this paper highlights the remarkable reproducibility of Prochlorococcus ecotype abundances over many years.

Martiny, A. C., Tai, A. P. K., Veneziano, D., Primeau, F. & Chisholm, S. W. Taxonomic resolution, ecotypes and the biogeography of Prochlorococcus. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 823–832 (2009).

Rocap, G., Distel, D. L., Waterbury, J. B. & Chisholm, S. W. Resolution of Prochlorococcus en Synechococcus ecotypes by using 16S-23S ribosomal DNA internal transcribed spacer sequences. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 68, 1180–1191 (2002).

Ferris, M. J. & Palenik, B. Niche adaptation in ocean cyanobacteria. Natuur 396, 226–228 (1998).

Jameson, E., Joint, I., Mann, N. H. & Mühling, M. Application of a novel rpoC1-RFLP approach reveals that marine Prochlorococcus populations in the Atlantic gyres are composed of greater microdiversity than previously described. Mikrob. Ecol. 55, 141–151 (2008).

Urbach, E., Scanlan, D. J., Distel, D. L., Waterbury, J. B. & Chisholm, S. W. Rapid diversification of marine picophytoplankton with dissimilar light-harvesting structures inferred from sequences of Prochlorococcus en Synechococcus (Cyanobacteria). J. Mol. Evol. 46, 188–201 (1998).

Penno, S., Lindell, D. & Post, A. F. Diversity of Synechococcus en Prochlorococcus populations determined from DNA sequences of the N-regulatory gene ntcA. Omgewing. Mikrobioloë. 8, 1200–1211 (2006).

Mühling, M. M. On the culture-independent assessment of the diversity and distribution of Prochlorococcus. Omgewing. Mikrobioloë. 14, 567–579 (2012).

Urbach, E., Robertson, D. L. & Chisholm, S. W. Multiple evolutionary origins of prochlorophytes within the cyanobacterial radiation. Natuur 355, 267–270 (1992).

Kettler, G. C. et al. Patterns and implications of gene gain and loss in the evolution of Prochlorococcus. PLoS Genet. 3, e231 (2007).

Kashtan, N. et al. Single-cell genomics reveals hundreds of coexisting subpopulations in wild Prochlorococcus. Wetenskap 344, 416–420 (2014). This study shows the vast genomic diversity of Prochorococcus cells in a single sample of seawater and argues that hundreds of diverse subpopulations contribute to the dynamics and stability of the global Prochlorococcus federation.

Partensky, F., Hoepffner, N., Li, W. & Ulloa, O. Photoacclimation of Prochlorococcus sp. (Prochlorophyta) strains isolated from the North Atlantic and the Mediterranean Sea. Plant Physiol. 101, 285–296 (1993).

Huang, S. et al. Novel lineages of Prochlorococcus en Synechococcus in the global oceans. ISME J. 6, 285–297 (2012).

Malmstrom, R. R. et al. Ecology of uncultured Prochlorococcus clades revealed through single-cell genomics and biogeographic analysis. ISME J. 7, 184–198 (2013).

Rusch, D. B., Martiny, A. C., Dupont, C. L., Halpern, A. L. & Venter, J. C. Characterization of Prochlorococcus clades from iron-depleted oceanic regions. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 107, 16184–16189 (2010). This study shows the utility of metagenomic data for characterizing the distribution and key features of previously unknown and uncultured lineages of Prochlorococcus.

West, N. J., Lebaron, P., Strutton, P. G. & Suzuki, M. T. A novel clade of Prochlorococcus found in high nutrient low chlorophyll waters in the South and Equatorial Pacific Ocean. ISME J. 5, 933–944 (2011).

Shi, Y., Tyson, G. W., Eppley, J. M. & Delong, E. F. Integrated metatranscriptomic and metagenomic analyses of stratified microbial assemblages in the open ocean. ISME J. 5, 999–1013 (2011).

Zinser, E. R. et al. Prochlorococcus ecotype abundances in the North Atlantic Ocean as revealed by an improved quantitative PCR method. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 72, 723–732 (2006).

Coleman, M. L. & Chisholm, S. W. Code and context: Prochlorococcus as a model for cross-scale biology. Tendense Microbiol. 15, 398–407 (2007).

He, Q., Dolganov, N., Bjorkman, O. & Grossman, A. R. The high light-inducible polypeptides in Synechocystis PCC6803. Expression and function in high light. J. Of Biol. Chem. 276, 306–314 (2001).

Li, B. et al. Catalytic promiscuity in the biosynthesis of cyclic peptide secondary metabolites in planktonic marine cyanobacteria. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 107, 10430–10435 (2010).

Lavin, P., González, B., Santibáñez, J. F., Scanlan, D. J. & Ulloa, O. Novel lineages of Prochlorococcus thrive within the oxygen minimum zone of the eastern tropical South Pacific. Omgewing. Mikrobioloë. Rep. 2, 728–738 (2010).

Giovannoni, S. J. & Thrash, J. C. and Temperton, B. Implications of streamlining theory for microbial ecology. ISME J. 8, 1553–1565 (2014).

Scanlan, D. J. et al. Ecological genomics of marine picocyanobacteria. Mikrobioloë. Mol. Biol. Ds. 73, 249–299 (2009). This extensive review examines the similarities and differences among Synechococcus en Prochlorococcus genomes from an environmental perspective.

Sun, Z. & Blanchard, J. L. Strong genome-wide sselection early in the evolution of Prochlorococcus resulted in a reduced genome through the loss of a large number of small effect genes. PLoS EEN 9, e88837 (2014).

Biller, S. J. et al. Genomes of diverse isolates of the marine cyanobacterium Prochlorococcus. Scientif. Data 1, 140034 (2014).

Baumdicker, F., Hess, W. R. & Pfaffelhuber, P. The infinitely many genes model for the distributed genome of bacteria. Genoom Biol. Evol. 4, 443–456 (2012).

Coleman, M. L. et al. Genomic islands and the ecology and evolution of Prochlorococcus. Wetenskap 311, 1768–1770 (2006). This study reveals the importance of genomic islands as hot spots for the integration of ecologically important flexible genes into Prochlorococcus genomes.

Humbert, J.-F. et al. A tribute to disorder in the genome of the bloom-forming freshwater cyanobacterium Microcystis aeruginosa. PLoS EEN 8, e70747 (2013).

Venter, J. C. et al. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea. Wetenskap 304, 66–74 (2004).

Palenik, B. et al. The genome of a motile marine Synechococcus. Natuur 424, 1037–1042 (2003).

Dufresne, A. et al. Unraveling the genomic mosaic of a ubiquitous genus of marine cyanobacteria. Genoom Biol. 9, R90 (2008).

Luo, H., Friedman, R., Tang, J. & Hughes, A. L. Genome reduction by deletion of paralogs in the marine cyanobacterium Prochlorococcus. Mol. Biol. Evol. 28, 2751–2760 (2011).

Martiny, A. C., Coleman, M. L. & Chisholm, S. W. Phosphate acquisition genes in Prochlorococcus ecotypes: evidence for genome-wide adaptation. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 103, 12552–12557 (2006). This article shows that phosphorus limitation is one of the strongest selective pressures shaping gene content of Prochlorococcus in the Atlantic versus the Pacific Ocean.

Coleman, M. L. & Chisholm, S. W. Ecosystem-specific selection pressures revealed through comparative population genomics. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 107, 18634–18639 (2010).

Thompson, L. R. et al. Phage auxiliary metabolic genes and the redirection of cyanobacterial host carbon metabolism. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 108, E757–E764 (2011).

Kelly, L., Ding, H., Huang, K. H., Osburne, M. S. & Chisholm, S. W. Genetic diversity in cultured and wild marine cyanomyoviruses reveals phosphorus stress as a strong selective agent. ISME J. 7, 1827–1841 (2013).

Avrani, S., Wurtzel, O., Sharon, I., Sorek, R. & Lindell, D. Genomic island variability facilitates Prochlorococcus-virus coexistence. Natuur 474, 604–608 (2011). This study highlights the role of genetic diversity in genomic islands for maintaining the coexistence of Prochlorococcus and cyanophages.

Collins, R. E. & Higgs, P. G. Testing the infinitely many genes model for the evolution of the bacterial core genome and pangenome. Mol. Biol. Evol. 29, 3413–3425 (2012).

Kislyuk, A. O., Haegeman, B., Bergman, N. H. & Weitz, J. S. Genomic fluidity: an integrative view of gene diversity within microbial populations. BMC Genomika 12, 32 (2011).

Moore, L. & Chisholm, S. Photophysiology of the marine cyanobacterium Prochlorococcus: Ecotypic differences among cultured isolates. Limnol. Oceanogr. 44, 628–638 (1999).

Dufresne, A., Garczarek, L. & Partensky, F. Accelerated evolution associated with genome reduction in a free-living prokaryote. Genoom Biol. 6, R14 (2005).

Osburne, M. S., Holmbeck, B. M., Coe, A. & Chisholm, S. W. The spontaneous mutation frequencies of Prochlorococcus strains are commensurate with those of other bacteria. Omgewing. Mikrobioloë. Rep. 3, 744–749 (2011).

Hu, J. & Blanchard, J. L. Environmental sequence data from the Sargasso Sea reveal that the characteristics of genome reduction in Prochlorococcus are not a harbinger for an escalation in genetic drift. Mol. Biol. Evol. 26, 5–13 (2008).

Cohan, F. M. Towards a conceptual and operational union of bacterial systematics, ecology, and evolution. Fil. Trans. R. Soc. B: Biol. Wetenskaplike. 361, 1985–1996 (2006).

Rodriguez-Valera, F. et al. Explaining microbial population genomics through phage predation. Nature Rev. Microbiol. 7, 828–836 (2009).

Cordero, O. X. & Polz, M. F. Explaining microbial genomic diversity in light of evolutionary ecology. Nature Rev. Microbiol. 12, 263–273 (2014).

Rodriguez-Valera, F. & Ussery, D. W. Is the pan-genome also a pan-selectome? F1000Res 1, 16 (2012).

Sullivan, M. B., Waterbury, J. B. & Chisholm, S. W. Cyanophages infecting the oceanic cyanobacterium Prochlorococcus. Natuur 424, 1047–1051 (2003).

Sullivan, M. B., Coleman, M. L., Weigele, P., Rohwer, F. & Chisholm, S. W. Three Prochlorococcus cyanophage genomes: signature features and ecological interpretations. PLoS Biol. 3, e144 (2005).

Sullivan, M. B. et al. The genome and structural proteome of an ocean siphovirus: a new window into the cyanobacterial 'mobilome'. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 2935–2951 (2009).

Sullivan, M. B. et al. Genomic analysis of oceanic cyanobacterial myoviruses compared with T4-like myoviruses from diverse hosts and environments. Omgewing. Mikrobioloë. 12, 3035–3056 (2010).

Labrie, S. J. et al. Genomes of marine cyanopodoviruses reveal multiple origins of diversity. Omgewing. Mikrobioloë. 15, 1356–1376 (2013).

Parsons, R. J., Breitbart, M., Lomas, M. W. & Carlson, C. A. Ocean time-series reveals recurring seasonal patterns of virioplankton dynamics in the northwestern Sargasso Sea. ISME J. 6, 273–284 (2012).

Williams, K. P. Integration sites for genetic elements in prokaryotic tRNA and tmRNA genes: sublocation preference of integrase subfamilies. Nukleïensure Res. 30, 866–875 (2002).

Lindell, D. et al. Genome-wide expression dynamics of a marine virus and host reveal features of co-evolution. Natuur 449, 83–86 (2007).

Lindell, D. et al. Transfer of photosynthesis genes to and from Prochlorococcus virusse. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 101, 11013–11018 (2004).

Zeidner, G. et al. Potential photosynthesis gene recombination between Prochlorococcus en Synechococcus via viral intermediates. Omgewing. Mikrobioloë. 7, 1505–1513 (2005).

Sullivan, M. B. et al. Prevalence and evolution of core photosystem II genes in marine cyanobacterial viruses and their hosts. PLoS Biol. 4, e234 (2006).

Cai, F., Axen, S. D. & Kerfeld, C. A. Evidence for the widespread distribution of CRISPR-Cas system in the phylum Sianobakterieë. RNA Biol. 10, 1–7 (2013).

Weinberger, A. D., Wolf, Y. I., Lobkovsky, A. E., Gilmore, M. S. & Koonin, E. V. Viral diversity threshold for adaptive immunity in prokaryotes. mBio 3, e00456–e00412 (2012).

Avrani, S., Schwartz, D. & Lindell, D. Virus-host swinging party in the oceans: Incorporating biological complexity into paradigms of antagonistic coexistence. Mob Genet. Elements 2, 88–95 (2012).

Mann, N. H., Cook, A., Millard, A., Bailey, S. & Clokie, M. Bacterial photosynthesis genes in a virus. Natuur 424, 741 (2003). This paper was the first to report the presence of photosynthesis genes in a virus.

Millard, A. D., Zwirglmaier, K., Downey, M. J., Mann, N. H. & Scanlan, D. J. Comparative genomics of marine cyanomyoviruses reveals the widespread occurrence of Synechococcus host genes localized to a hyperplastic region: implications for mechanisms of cyanophage evolution. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 2370–2387 (2009).

Lindell, D., Jaffe, J. D., Johnson, Z. I., Church, G. M. & Chisholm, S. W. Photosynthesis genes in marine viruses yield proteins during host infection. Natuur 438, 86–89 (2005).

Zeng, Q. & Chisholm, S. W. Marine viruses exploit their host's two-component regulatory system in response to resource limitation. Curr. Biol. 22, 124–128 (2012).

Carini, P., Steindler, L., Beszteri, S. & Giovannoni, S. J. Nutrient requirements for growth of the extreme oligotroph 'Kandidaat Pelagibacter ubique' HTCC1062 on a defined medium. ISME J. 7, 592–602 (2013).

Bertilsson, S., Berglund, O., Pullin, M. & Chisholm, S. Release of dissolved organic matter by Prochlorococcus. Vie Milieu 55, 225–232 (2005).

Chisholm, S. W. et al. Prochlorococcus marinus nov. genl. nov. sp.: an oxyphototrophic marine prokaryote containing divinyl chlorophyll a en b. Boog. Mikrobioloë. 157, 297–300 (1992).

Rippka, R. et al. Prochlorococcus marinus Chisholm et al. 1992 subsp. pastoris subsp. nov. strain PCC 9511, the first axenic chlorophyll a2/b2-containing cyanobacterium (Oxyphotobacteria). Int. J. Systemat. Evol. Mikrobioloë. 50, 1833–1847 (2000).

Saito, M., Moffett, J., Chisholm, S. & Waterbury, J. Cobalt limitation and uptake in Prochlorococcus. Limnol. Oceanogr. 47, 1629–1636 (2002).

Berube, P. M. et al. Physiology and evolution of nitrate acquisition in Prochlorococcus. ISME J. http://dx.doi.org/10.1038/ismej.2014.211 (2014).

Morris, J. J., Kirkegaard, R., Szul, M. J., Johnson, Z. I. & Zinser, E. R. Facilitation of robust growth of Prochlorococcus colonies and dilute liquid cultures by 'helper' heterotrophic bacteria. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 74, 4530–4534 (2008).

Sher, D., Thompson, J. W., Kashtan, N., Croal, L. & Chisholm, S. W. Response of Prochlorococcus ecotypes to co-culture with diverse marine bacteria. ISME J. 5, 1125–1132 (2011).

Morris, J. J., Johnson, Z. I., Szul, M. J., Keller, M. & Zinser, E. R. Dependence of the cyanobacterium Prochlorococcus on hydrogen peroxide scavenging microbes for growth at the ocean's surface. PLoS EEN 6, e16805 (2011). This paper provides an experimental demonstration of the importance of heterotroph interactions for Prochlorococcus growth in the wild.

Morris, J. J., Lenski, R. E. & Zinser, E. R. The Black Queen hypothesis: evolution of dependencies through adaptive gene loss. mBio 3, e00036–00012 (2012).

Arnison, P. G. et al. Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptide natural products: overview and recommendations for a universal nomenclature. Nature Prod. Rep. 30, 108–160 (2013).

Biller, S. J. et al. Bacterial vesicles in marine ecosystems. Wetenskap 343, 183–186 (2014).

Tettelin, H., Riley, D., Cattuto, C. & Medini, D. Comparative genomics: the bacterial pan-genome. Curr. Mening. Mikrobioloë. 11, 472–477 (2008).

Doolittle, W. F. & Zhaxybayeva, O. Metagenomics and the units of biological organization. Biowetenskap 60, 102–112 (2010).

Becker, J. W. et al. Closely related phytoplankton species produce similar suites of dissolved organic matter. Voorkant. Mikrobioloë. 5, 1–14 (2014).

Azam, F. & Malfatti, F. Microbial structuring of marine ecosystems. Nature Rev. Microbiol. 5, 782–791 (2007).

Goericke, R., Strom, S. L. & Bell, R. A. Distribution and sources of cyclic pheophorbides in the marine environment. Limnol. Oceanogr. 45, 200–211 (2000).

Sutherland, K. R., Madin, L. P. & Stocker, R. Filtration of submicrometer particles by pelagic tunicates. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 107, 15129–15134 (2010).

Christaki, U., Jacquet, S., Dolan, J. R., Vaulot, D. & Rassoulzadegan, F. Growth and grazing on Prochlorococcus en Synechococcus by two marine ciliates. Limnol. Oceanogr. 44, 52–61 (1999).

Hirose, M., Katano, T. & Nakano, S.-I. Growth and grazing mortality rates of Prochlorococcus, Synechococcus and eukaryotic picophytoplankton in a bay of the Uwa Sea, Japan. J. Plankton Res. 30, 241–250 (2008).

Guillou, L., Jacquet, S., Chretiennot-Dinet, M.-J. & Vaulot, D. Grazing impact of two small heterotrophic flagellates on Prochlorococcus en Synechococcus. Aquat. Mikrob. Ecol. 26, 201–207 (2001).

Hartmann, M., Zubkov, M. V., Scanlan, D. J. & Lepère, C. In situ interactions between photosynthetic picoeukaryotes and bacterioplankton in the Atlantic Ocean: evidence for mixotrophy. Omgewing. Mikrobioloë. Rep. 5, 835–840 (2013).

Frias-Lopez, J., Thompson, A., Waldbauer, J. & Chisholm, S. W. Use of stable isotope-labelled cells to identify active grazers of picocyanobacteria in ocean surface waters. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 512–525 (2009).

Raven, J. A., Beardall, J., Flynn, K. J. & Maberly, S. C. Phagotrophy in the origins of photosynthesis in eukaryotes and as a complementary mode of nutrition in phototrophs: relation to Darwin's insectivorous plants. J. Eksp. Bot. 60, 3975–3987 (2009).

Richardson, T. L. & Jackson, G. A. Small phytoplankton and carbon export from the surface ocean. Wetenskap 315, 838–840 (2007).

Zubkov, M. V., Fuchs, B. M., Tarran, G. A., Burkill, P. H. & Amann, R. High rate of uptake of organic nitrogen compounds by Prochlorococcus cyanobacteria as a key to their dominance in oligotrophic oceanic waters. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 69, 1299–1304 (2003).

Gómez-Pereira, P. R. et al. Comparable light stimulation of organic nutrient uptake by SAR11 and Prochlorococcus in the North Atlantic subtropical gyre. ISME J. 7, 603–614 (2013).

Mary, I. et al. Light enhanced amino acid uptake by dominant bacterioplankton groups in surface waters of the Atlantic Ocean. FEMS mikrobiool. Ecol. 63, 36–45 (2008).

Michelou, V. K., Cottrell, M. T. & Kirchman, D. L. Light-stimulated bacterial production and amino acid assimilation by cyanobacteria and other microbes in the North Atlantic ocean. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 73, 5539–5546 (2007).

Del Carmen Muñoz-Marín, M. et al. Prochlorococcus can use the Pro1404 transporter to take up glucose at nanomolar concentrations in the Atlantic Ocean. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 110, 8597–8602 (2013). This article shows the potential for Prochlorococcus photoheterotrophic growth in the wild.

Gómez-Baena, G. et al. Glucose uptake and its effect on gene expression in Prochlorococcus. PLoS EEN 3, e3416 (2008).

Zhaxybayeva, O., Doolittle, W. F., Papke, R. T. & Gogarten, J. P. Intertwined evolutionary histories of marine Synechococcus en Prochlorococcus marinus. Genoom Biol. Evol. 1, 325–339 (2009).

Ting, C. S., Rocap, G., King, J. & Chisholm, S. W. Cyanobacterial photosynthesis in the oceans: the origins and significance of divergent light-harvesting strategies. Tendense Microbiol. 10, 134–142 (2002).

Mackey, K. R. M. et al. Effect of temperature on photosynthesis and growth in marine Synechococcus spp. Plant Physiol. 163, 815–829 (2013).

Pittera, J. et al. Connecting thermal physiology and latitudinal niche partitioning in marine Synechococcus. The ISME J. 8, 1221–1236 (2014).

Mann, E., Ahlgren, N., Moffett, J. & Chisholm, S. W. Copper toxicity and cyanobacteria ecology in the Sargasso Sea. Limnol. Oceanogr. 47, 976–988 (2002).

Chen, B., Liu, H., Landry, M. R., Chen, M. & Sun, J. Estuarine nutrient loading affects phytoplankton growth and microzooplankton grazing at two contrasting sites in Hong Kong coastal waters. Marine Ecol. Progress Series 379, 77–90 (2009).

Moore, L. et al. Culturing the marine cyanobacterium Prochlorococcus. Limnol. Oceanogr.: Methods 5, 353–362 (2007).

Martiny, A. C., Huang, Y. & Li, W. Occurrence of phosphate acquisition genes in Prochlorococcus cells from different ocean regions. Omgewing. Mikrobioloë. 11, 1340–1347 (2009).

Feingersch, R. et al. Potential for phosphite and phosphonate utilization by Prochlorococcus. ISME J. 6, 827–834 (2012).

Martinez, A., Tyson, G. W. & Delong, E. F. Widespread known and novel phosphonate utilization pathways in marine bacteria revealed by functional screening and metagenomic analyses. Omgewing. Mikrobioloë. 12, 222–238 (2010).

Martinez, A., Osburne, M. S., Sharma, A. K., Delong, E. F. & Chisholm, S. W. Phosphite utilization by the marine picocyanobacterium Prochlorococcus MIT9301. Omgewing. Mikrobioloë. 14, 1363–1377 (2012).

Grzymski, J. J. & Dussaq, A. M. The significance of nitrogen cost minimization in proteomes of marine microorganisms. ISME J. 6, 71–80 (2012).

Bragg, J. G. & Hyder, C. L. Nitrogen versus carbon use in prokaryotic genomes and proteomes. Proc. Biol. Wetenskaplike. 271 (Suppl. 5), S374–S377 (2004).

Gilbert, J. D. & Fagan, W. F. Contrasting mechanisms of proteomic nitrogen thrift in Prochlorococcus. Mol. Ecol. 20, 92–104 (2011).

Garcia-Fernandez, J. M., de Marsac, N. T. & Diez, J. Streamlined regulation and gene loss as adaptive mechanisms in Prochlorococcus for optimized nitrogen utilization in oligotrophic environments. Mikrobioloë. Mol. Biol. Ds. 68, 630–638 (2004).

Martiny, A. C., Kathuria, S. & Berube, P. M. Widespread metabolic potential for nitrite and nitrate assimilation among Prochlorococcus ecotypes. Proc. Natl Acad. Wetenskaplike. VSA 106, 10787–10792 (2009).

Kamennaya, N. A. & Post, A. F. Characterization of cyanate metabolism in marine Synechococcus en Prochlorococcus spp. Appl. Omgewing. Mikrobioloë. 77, 291–301 (2011).

Moore, L., Post, A., Rocap, G. & Chisholm, S. W. Utilization of different nitrogen sources by the marine cyanobacteria Prochlorococcus en Synechococcus. Limnol. Oceanogr. 47, 989–996 (2002).

Thompson, A. W., Huang, K., Saito, M. A. & Chisholm, S. W. Transcriptome response of high- and low-light-adapted Prochlorococcus strains to changing iron availability. ISME J. 5, 1580–1594 (2011).


Impact of sequence diversity in the chloroplast genome on transgene integration

Figure 3a shows examples of transplastomic genomes that have been transformed with either an endogenous or a heterologous flanking sequence. Every single nucleotide change in the heterologous sequence was subsequently edited out and corrected to achieve 100 % homology to the native sequence within the intergenic spacer region (Fig. 3a). The repetitive editing process significantly reduces the efficiency of transgene integration when using heterologous flanking sequences. This challenge is made even more difficult by inadequate conservation of intergenic spacer regions, even within the same family. Figure 3c shows comparisons of 21 of the most variable intergenic spacer regions only four of the >150 spacer regions, including the trnl/trnA spacer region, are conserved among members of the Solanaceae. Among grass chloroplast genomes, not a single intergenic spacer region is conserved [8]. This necessitates construction of species-specific chloroplast vectors using endogenous flanking sequences and underscores the need to sequence the chloroplast genomes of economically important crop species.


Additional file 1.

Supplementary text and Figures.

Additional file 2.

Accession information and metadata for genomes used in this study. Genomes are listed in the same order as in Figs. 2 and 3, from inside to outside.

Additional file 3.

Opsomming van H. parainfluenzae gene clusters. Each row in the table describes a different gene, listing the genome from which it came, the gene cluster to which it belongs, its predicted function, and other summary information.

Additional file 4.

Functional enrichment results for H. parainfluenzae. Each row reports the enrichment of a TIGRFAM function in a group or groups of H. parainfluenzae genomes, according to the groups labeled in Fig. 2.

Additional file 5.

Opsomming van Rothia gene clusters. Each row in the table describes a different gene, listing the genome from which it came, the gene cluster to which it belongs, its predicted function, and other summary information.

Additional file 6.

Functional enrichment results for Rothia spesies. Each row reports the enrichment of a different TIGRFAM function in one or more Rothia spesies.

Additional file 7.

Additional file 8:

Tabel S1. Number of gene clusters per pangenome with varying MCL inflation factors.


Kyk die video: VOCABULAIRE DE GENETIQUE (September 2022).