a zöld alga Oltmannsiellopsis viridis teljes kloroplaszt DNS-szekvenciája megkülönböztető quadripartit architektúrát tár fel a korai divergáló ulvophyták kloroplaszt genomjában

Általános jellemzők

1. táblázat összehasonlítja az oltmannsiellopsis cpdns általános jellemzői az eddig teljesen szekvenált négy klorofita cpdns jellemzőivel, azaz. a Nephroselmis , a Chlorella , a Pseudendoclonium és a Chlamydomonas genomjai . 59,5% – nál az Oltmannsiellopsis cpdns teljes a+T-tartalma hasonló a Nephroselmis cpdns-éhez, de lényegesen alacsonyabb, mint a három korábban szekvenált UTC genomé. Az Oltmannsiellopsis Genom 151 933 bp (1.ábra) kör alakú molekulaként térképezi fel, és 105 gént tartalmaz. A 18 510 bp-es IR-szekvencia két példányát, amelyek mindegyike tíz gént kódol, egyenlőtlen egypéldányos régiók választják el egymástól, amelyeket SC1 és SC2 jelölnek. A többi UTC cpdns-hez hasonlóan az Oltmannsiellopsis Genom kevésbé sűrűn tele van kódoló szekvenciákkal, mint a Mesostigma és a Nephroselmis cpdns; 59,2% – os kódoló szekvenciáinak sűrűsége hasonló a Chlorella és a Pseudendoclonium cpdns-ekéhez. Az Oltmannsiellopsis cpdns intergenikus távtartóinak SDR-je van, átlagos mérete 512 bp, ami hasonló a Pseudendoclonium cpdns-nél megfigyelthez (600 bp). Az Oltmannsiellopsis cpdns-ben összesen öt intront azonosítottak, amelyek mindegyike az I. csoport családjába tartozik.

gén és intron tartalom

az Oltmannsiellopsis cpdns géntartalma közepes a Chlorella és a Chlamydomonas cpdns géntartalma között (1.táblázat). Bár az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns azonos számú gént kódol, ezek a genomok kissé eltérnek a gén repertoárjukban (2.táblázat). Az Oltmannsiellopsis cpdns megtartotta mind a három chl gént, amelyek hiányoznak a Pseudendoclonium cpdns-ből, de elvesztette az ycf62-t, a trnL-t(CAA) és a trnr-t(ccg). A chlorella cpdns-hez viszonyítva az Oltmannsiellopsis, a Pseudendoclonium és a Chlamydomonas genomjából hiányzik öt gén, azaz a cysA, a cysta és három tRNS gén (trnL(gag), trnS(gga) és trnT(ggu)) (2.táblázat). A három gén hiánya(ycf62, trnL(caa) és trnr (ccg)) egyedülállóan osztozik az Oltmannsiellopsis és a chlamydomonas cpdns-ekben, míg a pseudendoclonium és a Chlamydomonas cpdns-ekben nincs specifikus génvesztés. Mind az Oltmannsiellopsis, mind a Pseudendoclonium cpdns megtartotta a trnR(ccu) gént, amely hiányzik az összes többi teljesen szekvenált klorofita cpdns-ből.

mint a korábban vizsgált UTC kloroplaszt genomokban, az Oltmannsiellopsis cpdns-ben több gén kódoló régiói kibővülnek Mesostigma társaikhoz képest (3.táblázat). Az Oltmannsiellopsis génbővüléseinek többsége azonban kevésbé kiterjedt, mint a Pszeudendoklóniumban; csak a cemA mutat hosszabb kódoló szekvenciát, mint a Pszeudendoklónium homológja.

az Oltmannsiellopsis cpdns-ben található öt I. csoport intronjának megállapítása éles ellentétben áll a Pszeudendoklónium cpdns-ben található 27 I. csoport intronnal (1.táblázat). Az Oltmannsiellopsis cpdns-ben az intronok alacsonyabb bősége elsősorban ennek a genomnak a Pszeudendoklónium cpdns-hez viszonyított kisebb méretét teszi ki. Az Oltmannsiellopsis intronjai három, az IR-ben található gént (petB, psbA és rrl) szakítanak meg (4.táblázat). A petB és a psbA gének mindegyike egy intront tartalmaz, míg az rrl-ben három Intron van jelen. A petB intron kivételével mind az öt Intron pozícionálisan és szerkezetileg homológ a zöld növény cpdns-ében korábban jelentett intronokkal (5. táblázat). Míg az Oltmannsiellopsis psbA intron homológjai megtalálhatók a Pseudendocloniumban és a Chlamydomonasban, addig a három rrl Intron homológjai a zöld növények nagyobb változatosságában találhatók meg. Figyelembe véve, hogy ezeket a homológ intronokat UTC vonalakban azonosították, vertikális örökléssel örökölhették őket az UTC algák utolsó közös ősétől; azonban az a megállapítás, hogy potenciálisan kódolják a LAGLIDADG vagy GIY-YIG családok homing endonukleázait (4.táblázat), nem teszi lehetővé annak kizárását, hogy horizontális transzferrel szerezték meg őket. Bár a Pseudendoclonium cpdns-ben található 16 I. csoport intronjainak többsége nem rendelkezik homológokkal azonos rokon helyeken más kloroplaszt genomokban, szoros szerkezeti és szekvenciális hasonlóságaik, valamint az Oltmannsiellopsis cpdns-ből való hiányuk arra utal, hogy a pseudendocloniumhoz vezető vonal intragenomikus proliferációjából származnak . Vegye figyelembe, hogy az Oltmannsiellopsis petB intron szekvencia Genbank adatbázissal történő Blast-keresése nem mutatott ki homológ intront más organizmusokban.

Genomszerkezet és génparticionálás

az Oltmannsiellopsis cpdns egyetlen kópiás régióiban a génparticionálás mintázata lényegesen különbözik a Mesostigma, Nephroselmis és streptophyte cpdns-eknél megfigyelt ősi particionálási mintától (1.ábra). Az Oltmannsiellopsis SC1 régiójában található 30 gén nagy többsége jellemzően az ősi LSC régióban található, míg az SC2 régió az ősi LSC régióra jellemző 52 gént tartalmaz, az ősi SSC régióra jellemző tíz gén mellett. Érdekes módon az SC2 12-et tartalmaz a 14 LSC génből, amelyek átkerültek az SSC régióba Pszeudendoklónium cpdns-ben. A két kivételes Pszeudendoklónium gén, amelyeknek nincs homológja az Oltmannsiellopsis SC2-ben, a trnH (gug) és a trnL (CAA); a trnH(gug) gén az Oltmannsiellopsis SC1 régiójában található, míg a trnL (caa) elveszett az Oltmannsiellopsis cpdns-ből. Figyelembe véve az Oltmannsiellopsis egypéldányos régiók géntartalmát, helyénvalónak tűnik ezeket a régiókat méretük szerint címkézni. Bár az SC1 kisebb, mint az SC2, valószínűleg megfelel az ősi LSC régiónak, az SC2 pedig nyilvánvalóan az ősi SSC régióból származik.

az Oltmannsiellopsis cpdns IR szekvenciája körülbelül 12 kb-kal nagyobb, mint a Pseudendoclonium cpdns-é, és az rRNS operonban található géneken kívül öt gént is tartalmaz (1.ábra). 18 510 bp-nél az Oltmannsiellopsis IR-szekvenciája hasonló méretű, mint a Chlamydomonas (1.táblázat). Az Oltmannsiellopsis cpdns mindkét IR csomópontja magában foglalja azokat a géneket (cemA és ftsH), amelyekből a kódoló szekvenciák az egyetlen másolatú régiókra terjednek ki. Mint a Pseudendoclonium IR-ben, az Oltmannsiellopsis rRNS gének átíródnak az egyetlen kópiás régióba, amely a prasinophyte és a streptophyte cpdns-ben lévő LSC-hez tartozó géneket hordozza. Ezzel szemben az rRNS operon a Nephroselmisben és a streptophyte cpdns-ben az SSC régió felé íródik át. Az rRNS operon orientációja nem állapítható meg a chlamydomonas cpdns-ben a nagymértékben kódolt egypéldányos régiók miatt, és ez az orientáció a Chlorella cpdns-ben ismeretlen marad az IR veszteség miatt.

figyelembe véve, hogy az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium az Ulvophyceae különálló, korai divergáló vonalait képviselik, az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns-ek négyoldalú architektúrái közötti feltűnő hasonlóságok arra utalnak, hogy mind az atipikus gén particionálási mintázat, mind az IR szokatlan orientációja jellemző volt a legkorábbi divergáló ulvophyták kloroplaszt genomjára. Adataink azt jósolják, hogy az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns utolsó közös ősének SSC régiójában 12 olyan gén szerepelt, amelyek általában az LSC régióban találhatók Nephroselmisben és streptophyte cpdns-ben, míg az LSC régió kizárólag az ősi LSC régióra jellemző géneket tartalmazott. Következésképpen a pszeudendoklóniumhoz vezető vonalban két extra gént vittünk át az SSC régióba, míg 40 további gén vándorolt erre a régióra az Oltmannsiellopsis vonalon. Bár ezeknek a génmigrációknak az alapjául szolgáló mechanizmusok az egypéldányos régiók között továbbra sem ismertek, valószínűleg intramolekuláris vagy intermolekuláris rekombinációs eseményekkel jártak. Az alábbiakban bemutatott konzervált génklaszterek elemzése egyértelműen azt jelzi, hogy ezen migrációk során több gén került át együtt.

a géneket szélesebb körben keverték a chlamydomonas cpdns két egypéldányos régiója között (1.ábra). Elképzelhető, hogy az ulvophyták és a chlorophycean zöld algák evolúciója során a génparticionálás ősi mintázata egymást követő lépésekben megszakadt, egy Pszeudendoklónium-szerű szervezet Oltmannsiellopsis-szerű szervezetté fejlődött, ami végül a chlamydomonas-ban megfigyelt gének kiterjedt rejtjelezéséhez vezetett. Mivel a Chlorella genomból hiányzik az IR, nagyon nehéz megállapítani, hogy az rRNS operon transzkripciós iránya megváltozott-e, és hogy a gének áthelyeződtek-e egyik genomi régióból a másikba a trebouxiophyták evolúciója során. Az IR elvesztése általában számos gén átrendeződéssel jár ; a Chlorella cpdns esetében azonban az összes gén általában megtalálható az ősi SSC régióban, kivéve három gént (psaC, ycf20 és trnL(uag)) (1.ábra). Ir-tartalmú kloroplaszt genomok vizsgálata különálló trebouxiophyte törzsekből lesz szükség annak tesztelésére, hogy az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns-ekben itt azonosított génáthelyezések egy része az UTC algák közös őséből származik-e.

Géncsoportosítás

az Oltmannsiellopsis cpdns teljes génszerveződése nagymértékben különbözik Pszeudendoklónium homológjától, és meglepő módon jobban hasonlít a Chlorella cpdns-éhez (2.ábra). Az Oltmannsiellopsis és a Chlorella cpdns-ek 21 blokk kolineáris szekvenciát tartalmaznak, amelyek összesen 65 gént tartalmaznak, míg az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns-ek közös 18 blokkot tartalmaznak, amelyek 55 gént tartalmaznak. Mindössze nyolc, 19 gént tartalmazó blokk konzerválódott az Oltmannsiellopsis és a Chlamydomonas genomokban.

a Mesostigma és a Nephroselmis cpdns-ek által megosztott 24 ősi géncsoport közül sok megszakadt az UTC zöld algák evolúciója során. Ebben a tanulmányban 19 ősi klasztert elemeztünk; a fennmaradó öt nem vizsgálható, mert az általuk tartalmazott gének elveszettek az UTC cpdns-ekből (3.ábra). Mind a 19 klaszter legalább egy alkalommal megszakadt az UTC algák fejlődése során. Csak 12 töréspontjával a Chlorella cpdns az ősi klaszterek legerősebb megőrzését mutatja. 20 törésponttal az Oltmannsiellopsis cpdns medián pozíciót foglal el a Chlorella és a Pseudendoclonium (24 töréspont) cpdns között, míg a Chlamydomonas cpdns kétszer annyi töréspontot mutat (42 töréspont). A Chlamydomonas, Oltmannsiellopsis és Pseudendoclonium genomok öt töréspontot osztanak meg, amelyek hiányoznak a Chlorella cpdns-ből. Ezeken a töréspontokon kívül a Pseudendoclonium és a chlamydomonas cpdns-ek hat töréspontot osztanak meg, amelyek hiányoznak az Oltmannsiellopsis és a Chlorella cpdns-ekből. Nincs kizárólag az Oltmannsiellopsis és a Chlamydomonas genomokra vonatkozó töréspont.

két ősi klaszter olyan töréspontokat jelenít meg, amelyek egyedülállóak az Ulvophyceae számára. A szinte univerzálisan konzervált psbB-psbT-psbN-psbH klaszter a psbN 5′ végén fragmentálódott, két különálló darabot hozva létre, amelyek mindegyike egy-egy génpárt kódol Oltmannsiellopsis cpdns. A Pseudendoklónium vonalban egy további töréspont bevezetése a psbN ellentétes oldalán ennek a génnek a áthelyezéséhez vezetett a psbB-t, psbT-t és psbH-t kódoló DNS-szálon, a gén sorrendjének változása nélkül. Az Oltmannsiellopsis vonalban három töréspont történt az ősi rRNS operonban, hogy új transzkripciós egységet hozzanak létre, amelyben a tRNS(ugc) és a trnI(gau) gének sorrendje megfordult. A trebouxiophyte Chlorella ellipsoidea és az ulvophyte Codium fragile cpdns-ék esetében átrendeződött rRNS operonokról számoltak be; ezekben az esetekben azonban az ősi rRNS operont különálló fragmentumokra osztották, amelyeket különböző promoterek írtak át.

a származtatott géncsoportok tekintetében az Oltmannsiellopsis cpdns leginkább a Chlorella cpdns-hez hasonlít (4.ábra). A származtatott klasztert itt olyan gének csoportjaként definiáljuk, amelyek két vagy több UTC genomban azonos relatív polaritással rendelkeznek, de hiányoznak a Mesostigma és a Nephroselmis cpdns-ekből. Az Oltmannsiellopsis cpdns öt származtatott klasztert oszt meg Chlorella homológjával, míg a Pseudendoclonium cpdns három klasztert oszt meg, amelyek közül az egyik hiányzik az Oltmannsiellopsis-ból. Az Oltmannsiellopsis és a Pseudendoclonium cpdns-ekre jellemző négy származtatott klaszter közül egyik sem található meg a chlamydomonas cpdns-ben.

becsléseink szerint legalább 50 inverzióra lenne szükség ahhoz, hogy az Oltmannsiellopsis cpdns génszerveződését bármely más klorofitgenomé alakítsuk át (6.táblázat). A szárazföldi növényekből és a közeli rokon chlamydomonadokból származó cpdns-ek összehasonlító elemzése azt sugallja, hogy az inverziók jelentik a kloroplaszt Genom átrendeződésének domináns mechanizmusát a zöld növényekben. Azonban az inverziók nem lehetnek az egyetlen mutációs események, amelyek a chlorophytes cpdns-ek génrendjének megváltozását okozzák, mivel a transzpozíciókat javasolták a Campanulaceae-ben és a subclover cpdns-ekben megfigyelt átrendeződések egy részének elszámolására.

ismétlődő elemek

nagyszámú SDR elem található az Oltmannsiellopsis cpdns-ben (5.ábra). Bár ezek az elemek túlnyomórészt intergenikus távtartókban és intronokban találhatók, néhány példány a CEMA, a chlB, a chlL, a chlN, az ftsH, az rpoB, az rpoC1 és az rpoC2 kódoló régióit népesíti be. A leggyakoribb elemek nem átfedő ismétlődő egységek (A-E) öt csoportjába sorolhatók elsődleges szekvenciáik alapján (7.táblázat). Méretük 7-21 bp között mozog, példányszámuk pedig 17-től több mint 250-ig terjed. Az A vagy B ismétlődő egység szekvenciája leggyakrabban ugyanazon szekvencia fordított komplementjéhez kapcsolódik, így tökéletes palindromokat vagy feltételezett szárhurok-struktúrákat képez két a vagy két T hurokkal (6.ábra). Bizonyos esetekben a palindromokat vagy a szár-hurok struktúrák szárrészeit ritkábban ismételjük meg. Ezenkívül az A és B ismétlődő egységek néhány példánya magányos szekvenciákként fordul elő, amelyek valószínűleg a palindromokat vagy szárhurok-struktúrákat tartalmazó gyakoribb elrendezések degenerált változatait képviselik. Ismételje meg a C egységet szár-hurok struktúrákat képezhet, változó méretű hurokkal. Bár a D és E ismétlődő egységek nem kapcsolódnak a szárhurok szerkezetekhez, más ismétlődő elemek közelében helyezkednek el.

az Oltmannsiellopsis cpdns SDR-jei nem nagyon hasonlítanak más UTC cpdns-ekhez. Az Oltmannsiellopsis ismétlések elfogultak G + C – ben, míg a Chlorella ismétlések torzítást mutatnak a+T-ben. A Pseudendoclonium és a Chlamydomonas SDR-k szintén gazdagok G+C-ben, de szekvenciáik nem mutatnak nyilvánvaló hasonlóságot az Oltmannsiellopsis ismétlődésekkel. A különálló UTC genomokból származó SDR-ek közötti szekvenciális hasonlóságok hiánya arra utal, hogy az SDR-eket önállóan szerezték meg az UTC vonalakban. Az alternatív hipotézis, miszerint az SDR-ket vertikálisan továbbították, nem zárható ki, ha feltételezzük, hogy ezek az elemek nagyon gyors ütemben fejlődnek. A szorosan kapcsolódó UTC taxonokból származó cpdns-ek vizsgálata szükséges megkülönböztetni ezt a két hipotézist.

az SDR-K valószínűleg nagy szerepet játszottak a kloroplaszt Genom átalakításában UTC vonalak. Korábban összefüggést figyeltek meg az SDR-ek bősége és a génátrendeződések mértéke között az UTC alga genomokban . Ez a korreláció továbbra is fennáll Oltmannsiellopsis kloroplaszt genomszekvencia hozzáadásával. Az Oltmannsiellopsis cpdns-ben az SDR elemek bősége hasonló a Pseudendoclonium cpdns-ben megfigyelthez (7.ábra), és a gének mindkét genomban hasonló mértékben átrendeződtek (6. táblázat). A zöld növényi cpdns-ekben lévő SDR-ek forró pontként szolgálhatnak a nem homológ rekombinációs eseményekhez, és inverziókhoz és átültetésekhez vezethetnek .