Export von mitochondrialen und chloroplastischen Genen

Organellengenome, wie sie sowohl in Mitochondrien als auch in Chloroplasten vorhanden sind, sind kleiner als die ihrer prokaryotischen Vorfahren. Dies liegt daran, dass im Laufe der Evolution die meisten ihrer Gene in den Zellkern exportiert wurden, während viele andere verloren gingen, bevor sie sich zu einem mitochondrialen oder Chloroplastengenom entwickelten.

Diese exportierten Gene sind als Kernintegrantien der organellären DNA bekannt. Konkret sind die Gene aus den Mitochondrien Kernintegrantien der mitochondrialen DNA, und die aus dem Chloroplasten sind Kernintegrantien der Plastiden-DNA.

Eine Theorie, warum Zellen die Gene von Mitochondrien und Chloroplasten in den Zellkern übertragen können, ist, dass die Elektronentransferreaktionen in Mitochondrien und Chloroplasten mutationsverursachende freie Radikale erzeugen. Der Export dieser Gene verringert die Exposition gegenüber freien Radikalen und die Wahrscheinlichkeit schädlicher Mutationen.

Darüber hinaus verfügt der Zellkern über ein effektiveres DNA-Reparatursystem als Mitochondrien oder Chloroplasten.

Da mitochondriale und Chloroplasten-DNA nur von einem alleinerziehenden Elternteil vererbt werden, können sie keine sexuelle Rekombination durchlaufen. Sobald die Gene jedoch in die Kern-DNA eingebaut sind, werden die Gene beider Elternteile vererbt.

Die sexuelle Rekombination ermöglicht die Umlagerung von Genen beider Elternteile, was die Anhäufung unerwünschter Mutationen verhindern und die Anpassung an die Umwelt verbessern kann.

Die Transkriptions- und Translationsmaschinerie der Kern-DNA unterscheidet sich von der von Mitochondrien und Chloroplasten; daher müssen die exportierten Gene mehreren Modifikationen unterzogen werden, um richtig zu funktionieren.

Zu diesen Veränderungen gehört das Einfügen neuer DNA-Sequenzen für einen Promotor und einen Terminator, die für die ordnungsgemäße mRNA- und Proteinproduktion erforderlich sind. Eine Targeting-Sequenz wird ebenfalls hinzugefügt, um das Proteinprodukt zu den Mitochondrien oder Chloroplasten zu leiten.

Die meisten exportierten Gene behalten ihre ursprüngliche Funktion in den Mitochondrien und Chloroplasten, haben aber in einigen Fällen zur Entwicklung von Genen mit neuen Funktionen geführt.