58
1 葉葉 葉葉葉葉葉葉葉葉葉葉葉葉葉

葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

  • Upload
    rafer

  • View
    53

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説. 葉緑体ゲノム装置の構造と進化. 葉緑体ゲノムとゲノム装置 複製酵素,転写酵素, DNA 結合タンパク質, RNA 結合タンパク質 比較ゲノム学によるゲノム装置成分の検索 核様体の比較生化学 ゲノム装置の不連続進化. シアノバクテリアと 植物・藻類の葉緑体および それらの核様体. 葉緑体ゲノム装置の起源の探索. 複製 : DNA polymerase(s) 転写 :ファージ型 RNA polymerase(s) DNA 結合タンパク質(転写因子) : HU, DnaB helicase SiR ( 亜硫酸還元酵素) - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

1

葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

Page 2: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

2

葉緑体ゲノム装置の構造と進化葉緑体ゲノム装置の構造と進化

•葉緑体ゲノムとゲノム装置

•複製酵素,転写酵素, DNA結合タンパク質, RNA結合タンパク質

•比較ゲノム学によるゲノム装置成分の検索

•核様体の比較生化学

•ゲノム装置の不連続進化

Page 3: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

3

シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体および

それらの核様体

シアノバクテリアと植物・藻類の葉緑体および

それらの核様体

Page 4: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

4

葉緑体ゲノム装置の起源の探索葉緑体ゲノム装置の起源の探索

複製: DNA polymerase(s)

転写:ファージ型 RNA polymerase(s)

DNA 結合タンパク質(転写因子):HU, DnaB helicaseSiR ( 亜硫酸還元酵素)PEND (包膜の DNA 結合タンパク質)

RNA 結合タンパク質: Rbp / GRP

Page 5: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

5

Discontinuous evolution of plastid genomic machinery(1)

Discontinuous evolution of plastid genomic machinery(1)

Adapted from N. Sato (2001) Trends in Plant Science 6: 151-156

DNA polymerase

Page 6: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

6

Comparison of various nucleoids

Comparison of various nucleoids

Page 7: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

7

Lack of prokaryotic DNA-binding proteins in plastids – comparative genomics

Lack of prokaryotic DNA-binding proteins in plastids – comparative genomics

cp, chloroplast genome; nuc, nuclear genome. The Cyanidioschyzon data were used as the ‘nuc’ data for Rhodo- and Chromophytes.

Rhodo-and

Chromo-phytes

Greenalgae

LandplantsProtein

Eu-bacteria

Cyano-bacteria

Buchnerasp.

cp nuc cp nuc cp nuc

HU, IHF 1-4 1 1 0-1 0 0 1 0 0

H-NS,StpA 0-2 0 1 0 0 0 0 0 0

Fis 0-1 0 1 0 0 0 0 0 0

Dps 0-1 1-2 0 0 0 0 0 0 0

DnaB 1 1 1 1 0 0 0 0 0

DnaA 1 1 1 0 0 0 0 0 0

OmpR-like <10 <10 0 1-2 0 0 0 0 0

NtcA 0-1 1 0 1 0 0 0 0 0

CbbR, RbcR 0-2 1-3 0 1 0 0 0 0 0

Page 8: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

8

Presence of HU protein in cyanobacteria and rho

dophyte plastids

Presence of HU protein in cyanobacteria and rho

dophyte plastids

Page 9: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

9

Sulfite reductase is a major protein in plastid nucleoid

Sulfite reductase is a major protein in plastid nucleoid

Page 10: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

10

Formation of particulate complex of purified sulfite reductase with cpDNA

Formation of particulate complex of purified sulfite reductase with cpDNA

Water control BSA control

+ cpDNA (2 hr) + cpDNA (24 hr)

Page 11: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

11

Models of sulfite reductasesModels of sulfite reductases

E. coli Maize

Page 12: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

12

転写活性に対するヘパリンと SiR の効果転写活性に対するヘパリンと SiR の効果

Approximately, 10 sugar residues of heparin counteract with the action of one SiR molecule

Page 13: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

13

SiR is also present in isolated moss nucleoidsSiR is also present in isolated moss nucleoids

Page 14: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

14

Alignment of sulfite reductases of plants and cyanobacteria

Alignment of sulfite reductases of plants and cyanobacteria

Page 15: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

15

HU と SiR の機能的比較

HU と SiR の機能的比較

HU SiR

Page 16: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

16

DNA-binding proteins of plastids reported in the literature

DNA-binding proteins of plastids reported in the literature

Protein Plant Target Function Cloned/ Accession

Size (kDa)

Non-specific proteins

HC (plantacyanin) spinach unknown nucleoid structure U76296 10

HlpA Guillardia theta (*1) unknown nucleoid structure AF041468 10

Sulfite reductase pea, tobacco unknown nucleoid structure D83583 68-70

CND41 tobacco unknown repressor/protease D26015 41

Sequence-specific proteins

NdhI (FrxB) Chlamydomonas replication origin replication ? homologue 18

Region D-binding protein spinach region D (psaA promoter) psaA regulation no 31

Region U-binding protein spinach region U (psaA promoter) psaA regulation no 34

PEND pea TAAGAAGT nucleoid anchoring

X98740 130 (70x2?)

PD3 (ENBP1 homologue)

pea AT-rich sequence nucleoid structure?

X98744 170/130/63

CDF2 spinach AAGAGGCTCGTGGG rrn regulation no 33/35

CDF1 pea intergenic rbcL-atpB transcription ? no 115

AGF barley AAG box psbD activation no unknown

PGTF barley PGT(plastid GT) box psbD activation no unknown

Page 17: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

17

紅藻と植物の DNA polymerases紅藻と植物の DNA polymerases

Page 18: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

18

植物オルガネラ型 DNA polymerases の系統植物オルガネラ型 DNA polymerases の系統

Page 19: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

19

葉緑体とミトコンドリアの複製系の起源葉緑体とミトコンドリアの複製系の起源

植物・藻類では,葉緑体とミトコンドリアの複製系は極めて似ており,同一の DNA polymerase が働いている。

しかしこの DNA polymerase の起源は,シアノバクテリアや α プロテオバクテリアに求めることはできない。

動物や菌類と植物・藻類では,ミトコンドリアDNA polymerase が異なっている。

Page 20: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

20

Origin of NEP

Recent evolution of T7-like RNA polymerases

Origin of NEP

Recent evolution of T7-like RNA polymerases

Page 21: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

21

Origin of NEPOrigin of NEP

In angiosperm chloroplasts, two types of RNA polymerases (RNAP) are present: one is a prokaryotic RNAP called PEP, which is encoded in the chloroplast genome, while another is a phage-type RNAP called NEP, which is encoded in the nuclear genome.

The phage-type RNAP consists of a single polypeptide, and functions in mitochondria of most eukaryotes including yeast and human.

We analyzed the phage-type RNAP in the moss Physcomitrella patens.

Page 22: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

22

Model of organellar RNA polymerases in in higher plants

Model of organellar RNA polymerases in in higher plants

Page 23: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

23

Two cDNAs: RpoT1 and RpoT2 Two cDNAs: RpoT1 and RpoT2

Page 24: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

24

Expression and purification of PpRPOT proteins

Expression and purification of PpRPOT proteins

Nuclear- encoded phage-type RNA polymerase of Physcomitrella patens (moss)

Page 25: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

25

60 ng/l

2 g

30 ng/ l

80 ng/l

40 ng/ l

Enzymatic activity of the T7-type

RNA polymerases

in Physcomitrella

Enzymatic activity of the T7-type

RNA polymerases

in Physcomitrella

Page 26: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

26

Mitochondrial targeting of the PpRPOT proteins

Mitochondrial targeting of the PpRPOT proteins

Page 27: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

27

Phylogeny of T7-type RNA

polymerases

Phylogeny of T7-type RNA

polymerases

Page 28: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

28

Phylogeny of T7-type RNA polymerases(2)

Phylogeny of T7-type RNA polymerases(2)

Page 29: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

29

Residues750-776 M F L G Q F R L Q P T I N T N K D S E I D A H K Q E S

S. cerevisiae 1129-1155Q V E T N L Q T V F I S D P F A V N P V N A R R Q K AD. discoideum 822-849N I R T L E C D F I V V H N D D L L Q V D S N R Q R S

G. theta S V E T A V Q N I S L L K C D E N G P I N K L K Q R TP. provasolii K I N T V L Q T I S V D I H S E A L P V V S A K Q R S

PpRPOT1 960-986L V K T S L Q V L A L R N L D A D Q P V L V Q R Q K SPpRPOT2 938-964L V K T S L Q V L A L R N T D D N H P V L A S R Q R S

A. capillus-veneris Q V R T S L Q I L A L T D S N D T N M I M V R R Q K S

P. taeda L V R T S P Q I W A L R D E T X K V W A I H K K L H S

A. thaliana 851-875L V K T T L Q V L T L S - - R E T D K V M A R R Q M TN. sylvestris 876-901L I K T S L Q I L T L Q - - R E T D K V M V K R Q E TC. album 863-877L V K T S L Q V L T L R - - C D T D K V M A K R Q R TZ. mays 850-874L I K T S L Q V L T L Q - - R E T D K V M V K R Q K TT. aestivum 880-904L I K T S L Q V L T L Q - - R E T D K V M V K R Q R T

N. sylvestris 895-920L I K T S L Q I L T L Q - - R E T E K V M V K R Q R TA. thaliana 886-910L V K T S L Q T L S L Q - - H E T D Q V I V R R Q R T

A. thaliana 868-892L I R T S L Q V L A L Q - - R E G N T V D V R K Q R TZ. mays 827-851M I R T S L Q C L A L R - - R E G D A I A I Q R Q K AT. aestivum 824-848M I R T S L Q C L A L R - - R E G D A I A T Q R Q K A

Species SequenceBacteriophage T7Protist

Algae

Moss

Fern

Gymnosperm

AngiospermsMitochondrion-type

Mt/Pt-type

Plastid-type

Signature sequenceSignature sequence

Page 30: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

30

NEP-dependent promoters of

chloroplast genes might be specific to

angiosperms

NEP-dependent promoters of

chloroplast genes might be specific to

angiosperms

NCII : Non-consensus type promoter II, which is transcribed by NEP.

Page 31: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

31

Recent origin of NEP (2)Recent origin of NEP (2)

The NEP, a nuclear-encoded phage-type RNA polymerase of chloroplasts, has been created by duplication of the gene encoding a mitochondrial counterpart.

Phylogenetic analysis of the polymerases as well as the structure of NEP-dependent promoters suggest that this gene duplication occurred after the evolution of angiosperms.

Plant & Cell Physiology 43: 245-255 (2002)

Page 32: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

32

Conflicting results on the targeting of the two RNAPs of Physcomitrella paten

s

Conflicting results on the targeting of the two RNAPs of Physcomitrella paten

s

1. Kabeya and Sato (2002) Plant Cell Physiol. 43: 245-255

Targeting to mitochondria (no targeting to chloroplasts)

2. Richter et al. (2002) Gene 290: 95-105

Dual targeting (mostly to chloroplasts)

Page 33: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

33

Chloroplast targeting ??Chloroplast targeting ??

Forced translation from the first AUG

Page 34: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

34

Mitochondrial targeting of the PpRPOT proteins (2)

Mitochondrial targeting of the PpRPOT proteins (2)

Translation within the natural context

Page 35: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

35

Two methionine codonsTwo methionine codons

Page 36: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

36

GFP in transient expressionGFP in transient expression

Page 37: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

37

Stable transformantsStable transformants

Page 38: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

38

ImmunoblotImmunoblot

Page 39: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

39

Tagetitoxin sensitivityTagetitoxin sensitivity

Page 40: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

40

Translation efficiencyTranslation efficiency

Page 41: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

41

コケでも被子植物でもコケでも被子植物でも

これまで他のグループによって2重ターゲティングが提唱されていた,細胞核にコードされた RNA polymerase (RPOT) は,いずれもミトコンドリアだけにターゲティングされること,その理由は,本来の 5’ UTR コンテキストでは,2番目のメチオニンコドンだけからしか翻訳されないためであること,が判明しいた。

従って,本来の 5’ UTR を持たない人工的に作られた GFP融合タンパク質に基づくターゲティングは,正しい結果をもたらさないということが教訓である。

Page 42: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

42

Dually targeted DNA-binding protein, PENDDually targeted DNA-binding protein, PEND

Page 43: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

43

若いエンドウの葉では,核様体が包膜に結合している

若いエンドウの葉では,核様体が包膜に結合している

播種後6日目

播種後14日目

5 µm

Page 44: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

44

核様体の包膜結合に関与する DNA 結合タンパク質PEND protein: Sato et al. (1993) EMBO J. 12: 555-561.核様体の包膜結合に関与する DNA 結合タンパク質

PEND protein: Sato et al. (1993) EMBO J. 12: 555-561.

Page 45: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

45

Import of the PEND proteinImport of the PEND protein

Page 46: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

46

Import of the PEND protein (2)Import of the PEND protein (2)

Page 47: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

47

Import of the PEND protein (3)Import of the PEND protein (3)

Localization of the full-length protein to the chloroplast envelope

Page 48: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

48

Dual targeting of the PEND proteinDual targeting of the PEND protein

Initial translation product is targeted to plastid envelope.

The N-terminus is processed. The C-terminus is involved in membrane-binding.

If the N-terminal half of the mature PEND protein is cleaved, this polypeptide may be re-targeted to the nucleus.

BnGSBF1, a PEND homolog, is supposed to act as a transcription regulator in CAB gene.

Page 49: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

49

Selection of binding sites for the PEND protein (cbZIP region)

Selection of binding sites for the PEND protein (cbZIP region)

Page 50: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

50

Binding sites for the PEND protein in the pea cpDNA

Binding sites for the PEND protein in the pea cpDNA

Page 51: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

51

Gel-mobility shift assay of DNA-binding specificity of the cbZIP domain

Gel-mobility shift assay of DNA-binding specificity of the cbZIP domain

Page 52: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

52

Page 53: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

53

Page 54: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

54

Page 55: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

55

Discontinuous evolution of plastid genomic machinery(1)

Discontinuous evolution of plastid genomic machinery(1)

Adapted from N. Sato (2001) Trends in Plant Science 6: 151-156

DNA polymerase

Page 56: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

56

Phase 1: 複製系の入れ換えと転写因子の喪失Phase 1: 複製系の入れ換えと転写因子の喪失

Page 57: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

57

Phases 2-3: 真核型転写因子と転写系の移入Phases 2-3: 真核型転写因子と転写系の移入

Page 58: 葉緑体ゲノム装置の不連続進化仮説

58

プラスチドは,現存するシアノバクテリアの共通の祖先に近い原核生物が,ミトコンドリアをもつ真核細胞内に共生することによって生じたが,シアノバクテリアの系統におけるプラスチドの位置や最も起源に近いプラスチドについては,まだ研究が必要である。

緑色系統と紅藻系統,紅藻とヌクレオモルフの単系統性を支持するゲノムデータが示された。

ゲノム全体の比較により,シアノバクテリアからプラスチドにいたる系統と進化を跡づけることができ,これによって,新規光合成関連遺伝子の同定が進められている。

ゲノム装置(核様体)の構成成分では,シアノバクテリアが持っているものの大部分がプラスチドでは失われていること,紅色系統と緑色系統では成分が異なること,また,高等植物では真核細胞由来の新たな成分が付け加わっていること,などが判明した。

まとめまとめ