6.14: Porównanie genomów mitochondrialnych, chloroplastowych i prokariotycznych

Współczesne genomy mitochondriów i chloroplastów zachowały niektóre cechy swoich przodków prokariotów, a także nabyły nowe cechy podczas ewolucji w komórkach eukariotycznych. Podobnie jak genomy prokariotyczne, genomy mitochondriów i chloroplastów nie wiążą się z białkami histonopodobnymi ani nie wykazują złożonego upakowania w struktury podobne do chromosomów, jak zaobserwowano u eukariontów. W przeciwieństwie do podziałów komórek mitotycznych obserwowanych w komórkach eukariotycznych, mitochondria i chloroplasty ulegają rozszczepieniu binarnemu i w równym stopniu rozdzielają swoje DNA na organelle potomne, jak to obserwuje się u prokariotów. Ponadto rybosomy zarówno w mitochondriach, jak i chloroplastach są wrażliwe na antybiotyki antybakteryjne.

Genomy prokariotyczne mają miliony par zasad i tysiące genów; genomy mitochondriów i chloroplastów, z wyjątkiem kilku roślin, są znacznie mniejsze i zawierają tysiące par zasad z kilkoma setkami genów. Ta różnica w wielkości genomu wystąpiła, ponieważ podczas ewolucji znaczne części prymitywnych genomów mitochondrialnych i chloroplastowych zostały wyeksportowane do jądra. Ten eksport genów uzależnił je od genomu jądrowego w zakresie dostaw niektórych białek niezbędnych do ich biogenezy.

Ścieżki ewolucyjne zwierząt i roślin spowodowały duże różnice między genomami mitochondriów zwierzęcych a mitochondriami i chloroplastami roślinnymi. Genomy mitochondrialne zwierząt są mniejsze niż genomy mitochondrialne i chloroplastowe roślin. Ponadto, podobnie jak większość genomów prokariotycznych, genomy mitochondrialne zwierząt nie niosą żadnych intronów. Jednakże introny są obecne w genomach zarówno mitochondriów roślinnych, jak i chloroplastów. W porównaniu z genomami mitochondrialnymi, genomy chloroplastów wykazują mniejsze zróżnicowanie pod względem wielkości i struktury, a także zawierają więcej genów. Na przykład liczba genów obecnych w genomie chloroplastowym Arabidopsis thaliana jest prawie dwukrotnie większa niż liczba genów obecnych w jego genomie mitochondrialnym. Co więcej, genomy chloroplastów są bardziej podobne do swoich prokariotycznych odpowiedników niż genom mitochondrialny, ponieważ są podobne pod względem sekwencji regulacyjnych i rozmieszczenia wielu klastrów genów.

Prymitywne komórki drapieżników zinternalizowały bakterie, które później przekształciły się w mitochondria, tworząc komórki eukariotyczne. Fotosyntetyczne cyjanobakterie również utworzyły symbiotyczne relacje z niektórymi z tych komórek eukariotycznych i ostatecznie przekształciły się w chloroplast.

Dzisiejsze genomy mitochondrialne i chloroplastowe są pozostałościami tych przodków genomów prokariotycznych.

W porównaniu z genomami mitochondrialnymi, genomy współczesnych prokariontów są duże, takie jak Escherichia coli, które zawierają około 5 milionów bps i prawie 5000 genów.

Ludzki genom mitochondrialny ma prawie 17 000 punktów bazowych długości i zawiera 37 genów - podczas gdy genom mitochondrialny Arabidopsis thaliana, rośliny kwitnącej, ma ponad 350 000 punktów bazowych, ale zawiera tylko 57 genów.

W porównaniu z obecnymi genomami sinic, takimi jak genom Synechocystis, który ma około 3,5 miliona punktów bazowych i zawiera około 3200 genów, genom chloroplastów wśród roślin lądowych ma do 200 000 punktów bazowych i zawiera 120-135 genów.

Mimo że są znacznie mniejsze, zarówno genomy mitochondrialne, jak i chloroplastowe są pod kilkoma względami podobne do genomu prokariotycznego. Ich DNA nie wiąże się z białkami histonowymi i jest zwykle okrągłe i dwuniciowe, podobnie jak plazmidy bakteryjne.

W porównaniu z genomem mitochondrialnym, genom chloroplastowy bardziej przypomina genom prokariotyczny. Zarówno genomy chloroplastów, jak i prokariotyczne mają dość podobne sekwencje DNA dla promotorów i terminatorów transkrypcji.

Ponadto genomy mitochondrialne zwierząt są na ogół mniejsze niż genomy mitochondrialne roślin, ponieważ zarówno genomy mitochondrialne chloroplastów, jak i roślin mają introny, których nie ma w większości genomów mitochondrialnych zwierząt.