Caracteristici generale
Tabelul 1 compară caracteristicile cpdna oltmannsiellopsis cu cele ale celor patru cpdna Clorofite complet secvențiate până acum, adică. genomii de Nefroselmis , Chlorella, Pseudendoclonium și Chlamydomonas . La 59,5%, conținutul total de a+T al Cpdna Oltmannsiellopsis este similar cu cel al cpDNA Nephroselmis, dar este semnificativ mai mic decât cel al celor trei genomi UTC secvențiați anterior. Genomul Oltmannsiellopsis se mapează ca o moleculă circulară de 151.933 bp (Figura 1) și conține 105 gene. Două copii ale unei secvențe IR de 18.510 bp, fiecare codificând zece gene, sunt separate una de alta prin regiuni inegale de copie unică, desemnate SC1 și SC2. Ca și alte cpdn-uri UTC, genomul Oltmannsiellopsis este mai puțin dens ambalat cu secvențe de codificare decât cpdn-urile Mezostigma și Nephroselmis; la 59,2%, densitatea secvențelor de codificare este similară cu cea a chlorella și pseudendoclonium cpDNAs. Distanțierele intergenice din Oltmannsiellopsis cpDNA prezintă DST și au o dimensiune medie de 512 bp, o valoare comparabilă cu cea observată pentru Pseudendoclonium cpDNA (600 bp). Un total de cinci introni, toți aparținând familiei grupului I, au fost identificați în Oltmannsiellopsis cpDNA.
hărți genetice ale Oltmannsiellopsis și alte cpdn-uri clorofite. Genele (cutii umplute) în afara fiecărei hărți sunt transcrise în sensul acelor de ceasornic. Direcția de transcriere a genelor ARNr este indicată de săgeți. Genele prezentate în harta galbenă, albastră și roșie către regiunile IR, LSC și SSC din Mesostigma cpDNA, respectiv. Pe harta Oltmannsiellopsis, genele caracteristice regiunii LSC care locuiesc în regiunea cu o singură copie corespunzătoare SSC atât în Oltmannsiellopsis, cât și în pseudendoclonium cpDNAs sunt notate cu asteriscuri. Genele absente din mesostigma cpDNA sunt prezentate în gri. genele Arnt sunt indicate de codul de aminoacizi dintr-o literă urmat de anticodon între paranteze (Me, metionină elongatoare; Mf, metionină inițiatoare). Au fost identificate în total cinci introni (cutii deschise), dintre care unele prezintă ORFs (cutii înguste).
conținutul de Gene și introni
conținutul de gene al adnpc Oltmannsiellopsis este intermediar între cele ale adnpc Chlorella și Chlamydomonas (Tabelul 1). Deși Oltmannsiellopsis și pseudendoclonium cpDNAs codifică același număr de gene, aceste genomi diferă ușor în repertoriul lor genetic (Tabelul 2). Oltmannsiellopsis cpDNA a păstrat toate cele trei gene chl care lipsesc din pseudendoclonium cpDNA, dar a pierdut ycf62, trnL(caa) și trnr(ccg). În raport cu cpDNA Chlorella, genomurilor Oltmannsiellopsis, Pseudendoclonium și Chlamydomonas le lipsește un set de cinci gene, adică cysA, chist și trei gene Tarn (trnL(gag), trnS(gga) și trnT(ggu)) (Tabelul 2). Absența a trei gene (ycf62, trnL(caa) și trnr(ccg)) este împărtășită în mod unic de Oltmannsiellopsis și Chlamydomonas cpDNAs, în timp ce nicio pierdere genetică specifică nu este împărtășită de pseudendoclonium și Chlamydomonas cpDNAs. Atât Cpdn-urile Oltmannsiellopsis, cât și pseudendoclonium au păstrat gena trnR(ccu), care este absentă din toate celelalte cpdn-uri clorofite complet secvențiate.
ca și în genomii cloroplastici UTC investigați anterior, regiunile de codificare ale mai multor gene din Oltmannsiellopsis cpDNA sunt extinse în raport cu omologii lor Mezostigma (Tabelul 3). Cu toate acestea, majoritatea expansiunilor genice din Oltmannsiellopsis sunt mai puțin extinse decât cele din Pseudendocloniu; numai cemA afișează o secvență de codificare mai lungă decât omologul său de Pseudendocloniu.
constatarea noastră a cinci introni din Grupa I în ADN-ul cpDNA Oltmannsiellopsis contrastează puternic cu cei 27 de introni din Grupa I găsiți în ADN-ul cpDNA Pseudendocloniu (Tabelul 1). Abundența mai mică de introni din Oltmannsiellopsis cpDNA reprezintă în principal dimensiunea mai mică a acestui genom în raport cu pseudendoclonium cpDNA. Intronii Oltmannsiellopsis întrerup trei gene (petB, psbA și rrl) găsite în IR (Tabelul 4). Genele petB și psbA conțin fiecare un intron, în timp ce trei introni sunt prezenți în rrl. Toți cei cinci introni, cu excepția intronului petB, sunt omologi din punct de vedere pozițional și structural cu intronii raportați anterior în arnpc pentru plante verzi (Tabelul 5). În timp ce omologii Intronului Oltmannsiellopsis psbA sunt prezenți în Pseudendoclonium și Chlamydomonas, omologii celor trei introni rrl se găsesc într-o diversitate mai mare de plante verzi. Având în vedere că acești introni omologi au fost identificați în descendențele UTC, aceștia ar fi putut fi moșteniți prin moștenire verticală de la ultimul strămoș comun al algelor UTC; Cu toate acestea, constatarea că aceștia pot codifica endonucleazele homing ale familiilor LAGLIDADG sau GIY-YIG (Tabelul 4) nu ne permite să excludem posibilitatea ca acestea să fi fost dobândite prin transfer orizontal. Deși majoritatea celor 16 introni din Grupul I din pseudendoclonium cpDNA nu au omologi la site-uri înrudite identice în alte genomi cloroplastici, asemănările lor structurale și de secvență strânse împreună cu absența lor din Oltmannsiellopsis cpDNA sugerează că au apărut din proliferarea intragenomică în descendența care duce la Pseudendocloniu . Rețineți că căutările explozive ale secvenței de intron Oltmannsiellopsis petB împotriva bazei de date GenBank nu au reușit să detecteze Niciun intron omolog în alte organisme.
structura genomului și partiționarea genei
tiparul de partiționare genică în regiunile cu o singură copie a adnpc Oltmannsiellopsis diferă substanțial de tiparul de partiționare ancestrală observat pentru adnpc Mezostigmă, Nefroselmis și streptofit (Figura 1). Marea majoritate a celor 30 de gene găsite în regiunea SC1 din Oltmannsiellopsis se găsesc de obicei în regiunea LSC ancestrală, în timp ce regiunea SC2 conține 52 de gene caracteristice regiunii LSC ancestrale, pe lângă zece gene caracteristice regiunii SSC ancestrale. Interesant este că SC2 include 12 din cele 14 gene LSC care au fost transferate în regiunea SSC în Pseudendoclonium cpDNA. Cele două gene excepționale de Pseudendocloniu care nu au omologi în Oltmannsiellopsis SC2 sunt trnH (gug) și trnL (caa); gena trnH(gug) se află în regiunea SC1 a Oltmannsiellopsis, în timp ce trnL (caa) s-a pierdut din Oltmannsiellopsis cpDNA. Având în vedere conținutul genic al Regiunilor cu o singură copie Oltmannsiellopsis, pare inadecvat să se eticheteze aceste regiuni în funcție de dimensiunile lor. Deși SC1 este mai mic decât SC2, probabil corespunde regiunii ancestrale LSC, iar SC2 este aparent derivat din regiunea ancestrală SSC.
secvența IR în ADNc Oltmannsiellopsis este cu aproximativ 12 kb mai mare decât cea din ADNc pseudendocloniu și conține cinci gene în plus față de cele găsite în operonul ARNr (Figura 1). La 18.510 bp, secvența IR a Oltmannsiellopsis este similară ca mărime cu cea a Chlamydomonas (Tabelul 1). Ambele joncțiuni IR din Oltmannsiellopsis cpDNA cuprind gene (cemA și ftsH) din care secvențele de codificare se extind în regiunile cu o singură copie. Ca și în Pseudendoclonium IR, genele ARNr Oltmannsiellopsis sunt transcrise către regiunea unică de copiere care transportă genele care se mapează la LSC în cpDNAs prasinofit și streptofit. În schimb, operonul ARNr este transcris către regiunea SSC în nephroselmis și cpDNAs streptofit. Orientarea operonului ARNr nu poate fi stabilită în Adpc Chlamydomonas datorită regiunilor cu o singură copie, iar această orientare rămâne necunoscută în adpc Chlorella din cauza pierderii IR.
având în vedere că Oltmannsiellopsis și Pseudendoclonium reprezintă linii distincte, divergente timpurii ale Ulvophyceae, asemănările izbitoare dintre arhitecturile cvadripartite ale Oltmannsiellopsis și pseudendoclonium cpDNAs sugerează că atât modelul atipic de partiționare a genelor, cât și orientarea neobișnuită a IR au fost caracteristice genomului cloroplast al ulvofitelor divergente mai devreme. Datele noastre prezic că regiunea SSC a ultimului strămoș comun al Oltmannsiellopsis și pseudendoclonium cpDNAs a prezentat 12 dintre genele găsite de obicei în regiunea LSC în nephroselmis și streptofite cpDNAs, în timp ce regiunea LSC conținea exclusiv gene caracteristice regiunii LSC ancestrale. În consecință, în linia care duce la Pseudendocloniu, două gene suplimentare au fost transferate în regiunea SSC, în timp ce 40 de gene suplimentare au migrat în această regiune în linia Oltmannsiellopsis. Deși mecanismele care stau la baza acestor migrații genetice între regiunile cu o singură copie rămân necunoscute, acestea au implicat probabil evenimente de recombinare intramoleculară sau intermoleculară. Analiza clusterelor de gene conservate raportate mai jos indică în mod clar că mai multe gene au fost transferate împreună în cursul acestor migrații.
genele au fost amestecate mai mult între cele două regiuni cu o singură copie în ADNc Chlamydomonas (Figura 1). Se poate imagina că în timpul evoluției ulvofitelor și a algelor verzi clorofice, modelul ancestral al partiționării genelor a fost perturbat în pași succesivi, cu o organizație asemănătoare Pseudendocloniului evoluând într-o organizație asemănătoare Oltmannsiellopsis, ducând în cele din urmă la codarea extinsă a genelor observate în Chlamydomonas. Având în vedere absența IR din genomul Chlorella, este foarte dificil să se stabilească dacă direcția de transcriere a operonului ARNr s-a schimbat și dacă genele au fost mutate dintr-o regiune genomică în alta în timpul evoluției trebouxiofitelor. Pierderea IR este de obicei asociată cu multe rearanjări ale genelor ; cu toate acestea, în cazul cpDNA Chlorella, toate genele găsite de obicei în regiunea SSC ancestrală au rămas grupate, cu excepția a trei gene (psaC, ycf20 și trnL(uag)) (Figura 1). Investigațiile genomilor cloroplastici care conțin IR din linii distincte trebouxiophyte vor fi necesare pentru a testa dacă unele dintre relocările genice identificate aici atât în Oltmannsiellopsis, cât și în pseudendoclonium cpDNAs provin de la strămoșul comun al algelor UTC.
gruparea genelor
organizarea generală a genelor a adnpc Oltmannsiellopsis diferă mult de cea a omologului său de Pseudendocloniu și, în mod surprinzător, seamănă mai mult cu cea a adnpc Chlorella (Figura 2). Oltmannsiellopsis și Chlorella cpDNAs împărtășesc 21 de blocuri de secvențe colineare care conțin un total de 65 de gene, în timp ce Oltmannsiellopsis și pseudendoclonium cpDNAs au în comun 18 blocuri care conțin 55 de gene. Doar opt blocuri care conțin 19 gene sunt conservate în genomii Oltmannsiellopsis și Chlamydomonas.
grupuri de Gene partajate între Oltmannsiellopsis și alte cpdn-uri de alge UTC. Clusterele partajate sunt afișate pe harta genelor Oltmannsiellopsis ca serii alternative de cutii verzi și roșii. Genele situate în afara clusterelor conservate sunt prezentate în gri. Genele care lipsesc din Chlamydomonas, Pseudendoclonium și Chlorella sunt reprezentate în bej. Gradul de IR și direcția de transcriere a genelor ARNr sunt notate cu săgeți. Genele din afara hărții sunt transcrise în sensul acelor de ceasornic.
multe dintre cele 24 de grupuri de gene ancestrale împărtășite de mezostigma și nephroselmis cpDNAs au fost perturbate în timpul evoluției algelor verzi UTC. În acest studiu, am analizat 19 clustere ancestrale; cele cinci rămase nu au putut fi investigate deoarece genele pe care le conțin au fost pierdute din cpDNAs UTC (Figura 3). Toate cele 19 clustere au fost rupte cel puțin într-o singură ocazie în timpul evoluției algelor UTC. Cu doar 12 puncte de întrerupere, Chlorella cpDNA afișează cea mai puternică conservare a clusterelor ancestrale. Cu 20 de puncte de întrerupere, Oltmannsiellopsis cpDNA ocupă o poziție mediană între Chlorella și Pseudendoclonium (24 de puncte de întrerupere) cpdna, în timp ce Chlamydomonas cpDNA dezvăluie de două ori mai multe puncte de întrerupere (42 de puncte de întrerupere). Genomii Chlamydomonas, Oltmannsiellopsis și Pseudendoclonium împărtășesc cinci puncte de întrerupere care lipsesc în chlorella cpDNA. În afară de aceste puncte de întrerupere, pseudendoclonium și Chlamydomonas cpDNAs împărtășesc șase puncte de întrerupere care sunt absente din Oltmannsiellopsis și Chlorella cpDNAs. Nu există un punct de întrerupere exclusiv pentru genomii Oltmannsiellopsis și Chlamydomonas.
clustere de gene ancestrale fragmentate în cpdna-urile algelor UTC. Clusterele indicate se găsesc atât în cpdn-urile Mezostigma, cât și în nephroselmis. Rețineți că rpl22 nu a fost reprezentat în grupul mare de proteine ribozomale, deoarece este prezent doar în cpDNA Mezostigma (între rps19 și rps3). Locurile de fragmentare sunt notate cu vârfuri de săgeată de diferite nuanțe deasupra clusterelor: Chlamydomonas, vârfuri de săgeată umplute; Pseudendoclonium, vârfuri de săgeată gri închis; Oltmannsiellopsis, vârfuri de săgeată Gri deschis; și Chlorella, vârfuri de săgeată deschise. Genele care lipsesc din Chlamydomonas, Pseudendoclonium, Oltmannsiellopsis și Chlorella sunt indicate prin pătrate, cercuri, asteriscuri și, respectiv, pumnal dublu. Polaritățile genetice nu sunt afișate.
două clustere ancestrale afișează puncte de întrerupere care sunt unice pentru Ulvophyceae. Clusterul psbB-psbT-psbN-psbH aproape universal conservat a fost fragmentat la capătul 5′ al psbN, creând două piese separate, fiecare codificând o pereche de gene, în Oltmannsiellopsis cpDNA. În linia Pseudendoclonium, introducerea unui punct de întrerupere suplimentar pe partea opusă a psbN a dus la relocarea acestei gene pe catena ADN care codifică psbB, psbT și psbH, fără nicio modificare a ordinii genelor. În linia Oltmannsiellopsis, trei puncte de întrerupere au avut loc în operonul ancestral rRNA pentru a genera o nouă unitate de transcriere în care ordinea genelor Tarn(ugc) și trnI(gau) a fost inversată. Operonii ARNr rearanjați au fost raportați pentru cpdna-urile trebouxiophyte chlorella ellipsoidea și ulvophyte Codium fragil ; cu toate acestea, în aceste cazuri, operonul ancestral al ARNr a fost împărțit în fragmente separate care sunt transcrise de la diferiți promotori.
în ceea ce privește grupurile de gene derivate, Oltmannsiellopsis cpDNA este cel mai similar cu cpDNA Chlorella (Figura 4). Un cluster derivat este definit aici ca un grup de gene cu aceleași polarități relative în două sau mai multe genomi UTC, dar absent din cpDNAs Mezostigma și Nephroselmis. Oltmannsiellopsis cpDNA împarte cinci clustere derivate cu omologul său Chlorella, în timp ce Pseudendoclonium cpDNA împarte trei clustere, dintre care unul lipsește din Oltmannsiellopsis. Dintre cele patru clustere derivate comune Oltmannsiellopsis și pseudendoclonium cpDNAs, niciunul nu se găsește în Chlamydomonas cpDNA.
clustere de gene derivate împărțite între cpDNAs de alge UTC. Casetele umplute / deschise reprezintă prezența / absența clusterelor. Polaritățile genetice nu sunt afișate.
am estimat că ar fi necesare minimum 50 de inversiuni pentru a transforma organizarea genică a Cpdna Oltmannsiellopsis în cea a oricărui alt genom clorofit (Tabelul 6). Analizele Comparative ale arnpc de la plantele terestre și de la chlamydomonadele strâns legate sugerează că inversiunile reprezintă mecanismul predominant al rearanjărilor genomului cloroplastului la plantele verzi. Cu toate acestea, inversiunile ar putea să nu fie singurele evenimente mutaționale care cauzează modificări ale ordinii genei în clorofitele cpDNAs, deoarece s-au propus transpuneri pentru a explica unele dintre rearanjamentele observate în Campanulaceae și în subclover cpDNAs.
elemente repetate
un număr mare de elemente DST se găsesc în Cpdna Oltmannsiellopsis (Figura 5). Deși aceste elemente se află predominant în distanțiere intergenice și introni, câteva exemplare populează regiunile de codificare ale cemA, chlB, chlL, chlN, ftsH, rpoB, rpoC1 și rpoC2. Cele mai abundente elemente pot fi clasificate în cinci grupe de unități repetate care nu se suprapun (de la A la E) pe baza secvențelor lor primare (Tabelul 7). Dimensiunile lor variază de la 7-21 bp, iar numerele lor de copiere variază de la 17 la mai mult de 250. Secvența unității repetate A sau B este cel mai adesea legată de complementul invers al aceleiași secvențe, formând astfel palindromuri perfecte sau structuri de buclă stem presupuse cu o buclă de două A sau două T (Figura 6). În unele cazuri, palindromurile sau porțiunile de tulpină ale structurilor cu buclă de tulpină sunt extinse prin adăugarea de repetări mai puțin frecvente. Mai mult, câteva copii ale unităților repetate A și B apar ca secvențe solitare, reprezentând versiuni probabil degenerate ale aranjamentelor mai comune cu palindromuri sau structuri cu buclă stem. Unitatea de repetare C poate forma structuri cu buclă stem, cu o buclă de dimensiune variabilă. Deși unitățile repetate D și E nu sunt asociate cu structurile cu buclă stem, ele locuiesc în vecinătatea altor elemente repetate.
pozițiile elementelor DST în Oltmannsiellopsis cpDNA. Secvența Cpdna Oltmannsiellopsis a fost aliniată împotriva sa folosind PipMaker. Regiunile care conțin DST pot fi identificate ca grupuri de puncte. Asemănările dintre regiunile aliniate sunt prezentate ca procent mediu de identitate (între 50 și 100% identitate). Genele și polaritățile lor sunt notate cu săgeți orizontale, iar secvențele de codificare sunt reprezentate de cutii umplute.
structuri secundare prezise formate din unitățile DST A și B în Oltmannsiellopsis cpDNA.
DST din Oltmannsiellopsis cpDNA nu seamănă foarte mult cu cele prezente în alte cpdna UTC. Repetările Oltmannsiellopsis sunt părtinitoare în G + C, în timp ce repetările Chlorella arată o părtinire în A+T. SDR-urile Pseudendoclonium și Chlamydomonas sunt, de asemenea, bogate în G+C, dar secvențele lor nu au asemănări evidente cu repetările Oltmannsiellopsis. Această lipsă de asemănări de secvență între DST derivate din genomuri UTC distincte sugerează că DST au fost dobândite independent în descendențele UTC. Cu toate acestea, ipoteza alternativă că DST-urile au fost transmise vertical nu poate fi exclusă dacă presupunem că aceste elemente evoluează într-un ritm foarte rapid. Studiile cpDNAs de la taxoni UTC strâns legați vor fi necesare pentru a face distincția între aceste două ipoteze.
DST au jucat cel mai probabil un rol major în remodelarea genomului cloroplastului în descendențele UTC. S-a observat anterior o corelație între abundența DST și amploarea rearanjărilor genice în genomul algelor UTC . Această corelație este încă valabilă odată cu adăugarea secvenței genomului cloroplast Oltmannsiellopsis. Abundența elementelor DST în ADN-ul cpDNA Oltmannsiellopsis este comparabilă cu cea observată în ADN-ul cpDNA Pseudendocloniu (Figura 7) și genele au fost rearanjate într-o măsură similară în ambele genomi (Tabelul 6). DST în adnpc-urile din plantele verzi ar putea servi drept puncte fierbinți pentru evenimente recombinaționale nonhomologice și ar putea duce la inversiuni și transpuneri .
densitățile elementelor DST în Oltmannsiellopsis și alte cpDNAs clorofite, așa cum au fost dezvăluite de REPuter. Elementele repetate cu secvențe identice sunt conectate pe reprezentările circulare ale genomilor. Repetările mai mari de 30 bp și 45 bp sunt afișate pe panourile superioare și inferioare, respectiv. Pentru aceste analize, o copie a secvenței IR a fost ștearsă din genomii Nephroselmis, Pseudendoclonium, Oltmannsiellopsis și Chlamydomonas.