انتقال DNA از اندامک ها به هسته و ژنتیک منحصر به فرد درون همزیستی

دو ‌اندامک سیتوپلاسمی‌گیاهان، یعنی میتوکندری و کلروپلاست ژنوم مربوط به خود را دارند. این دو ‌اندامک این ژنوم‌ها را از طریق مکانیسم درون همزیستی در اوایل تحول گونه‌های یوکاریوتی کسب کرده‌اند. منشأ کلروپلاست‌ها از سیانوباکتری‌های آزادی است که بیش از 2/1 بیلیون سال قبل، به‌عنوان یک درون‌همزیست در سلول یوکاریوتی میزبان قرار گرفتند. ژنوم هسته سلول‌های یوکاریوتی DNA کلروپلاست را دریافت کرد و از نظر ‌اندازه و پیچیدگی توسعه فوق‌العاده‌ای پیدا کرد و از آن زمان ژنوم کلروپلاست دچار کاهش شدیدی شد.  ژنوم کلروپلاست بین 50 تا 200 پروتئین را به رمز در می‌آورد؛ درحالی‌که ژنوم سیانوباکتری چندین هزار پروتئین را به رمز در می‌آورد ( جدول1).

انتقال قطعات DNA‌اندامک به ژنوم هسته به دفعات در یوکاریوت‌ها مشاهده می‌شود

وجود کلروپلاست ابتدا در سال 1962 اثبات شد و اولین بار توالی آن در سال 1986، زمانی که دو تیم تحقیقاتی ژاپنی روی توالی DNA کلروپلاست هپاتیک² و تنباکو³  کار می‌کردند مشخص شد. ژنوم کلروپلاست‌ها و ژنوم میتوکندری‌ها به ترتیب به اختصار cpDNA و mtDNA نام دارد و زمانی که به ژنوم سایر پلاستیدها اشاره می‌شود، از آن‌ها تحت عنوان پلاستوم⁴ یاد می‌شود. در یوکاریوت‌ها بسیاری از ژن‌ها از اجداد پروکاریوتی (که در طول تحول درون‌همزیستی به‌صورت ‌اندامک‌های سیتوپلاسمی‌در آمده‌اند)، به هسته انتقال داده شده‌اند و بر طبق نظریه درون‌همزیستی انتقال ماده ژنتیک از کلروپلاست به ژنوم هسته در طول فرایند مذکور وجود داشته است (شکل 2)؛ به‌طوری که در گیاهان، انتقال ماده ژنتیک از اندامک‌های سیتوپلاسمی ‌(کلروپلاست و میتوکندری‌ها) به هسته فرایندی مداوم و مستمر است.

شواهد انتقال DNA  درون همزی‌ها (اندامک‌ها) به داخل هسته در ژنوم‌های گیاهی

انتقال قطعات DNA‌ اندامک به ژنوم هسته به دفعات در یوکاریوت‌ها مشاهده می‌شود. تصور می‌شود این انتقال‌ها نقش مهمی‌در تحول ژنی و ژنوم یوکاریوت‌ها بازی می‌کنند.  در گیاهان این انتقال ژنی از پلاستید و میتوکندری به ژنوم هسته رخ می‌دهد. قطعات DNA دو ‌اندامک میتوکندری و کلروپلاست در ژنوم هسته به ترتیب  Numts⁵ و Nupts⁶ نام دارند و به آن‌ها توالی‌های کدکننده گفته می‌شود. تقریباً همه انتقال‌های کنونی DNA میتوکندریایی و پلاستیدی به هسته، توالی‌های غیرکدکننده را به وجود می‌آورند که از نظر‌اندازه و تعداد نسخه‌ها با هم تفاوت دارند. به مجموع این قطعات Norgs⁷ گفته می‌شود. شواهد اولیه‌ای که نشان داد DNA می‌تواند در بین بخش‌های سلولی  منتقل شود از cpDNA به‌دست آمد که در mtDNA ذرت یافت شده بود. بعداً نسخه‌های کاملی از mtDNA در ژنوم هسته سلول‌های گربه کشف شد. ژنوم‌های گیاهی در مقایسه با سایر موجودات، شواهد فراوان‌تری از انتقال DNAدرون‌همزیستی را به نمایش می‌گذارند. به‌عنوان مثال، ژنوم هسته در گیاه آرابیدوپسیس دارای یک قطعه بزرگ (kb 620~) از DNA میتوکندری روی کروموزوم شماره 2 است.  در ژنوم هسته برنج، کروموزوم شماره 10 به تنهایی  شامل 28 قطعه از DNA کلروپلاستی ( بیشتر از 80 جفت باز طول دارد) است و توالی کروموزوم شماره 1 نیز قطعات DNA پلاستیدی زیادی را نشان می‌دهد. قطعاتی از DNA میتوکندری نیز در ژنوم هسته برنج به مقدار زیادی دیده می‌شود از جمله کروموزوم شماره 10 که  دارای  57  قطعه است که از 80 تا 2552 جفت باز طول دارند.

انواع شناخته شده انتقال DNA  بین‌اندامک‌ها

انتقال DNA از میتوکندری یا پلاستید به هسته ژنوم یوکاریوت‌ها را شکل داده است. در طول مرحله اولیه تحول‌اندامک‌ها، انتقال DNA از ‌اندامک به هسته منجر به جابه‌جایی گسترده ژن‌های ‌اندامک شد. اگرچه ‌اندامک‌ها بسیاری از فعالیت‌های بیوشیمیایی پروکاریوتی خود را حفظ کرده‌اند؛ اما ژنوم آن‌ها تنها سهم کوچکی از پروتئین‌های ‌اندامکی را کد می‌کند (از 3 تا 67 پروتئین در میتوکندری و از 15 تا 209 پروتئین در پلاستید).

از لحاظ نظری، از مجموع 6 نوع انتقال DNA که در بین اجزای سلولی موجود در گیاهان امکان‌پذیر است، حداقل 5 نوع آن مشاهده شده است (شکل 1).

• میتوکندری به هسته(1)
• پلاستید به هسته(2)
• پلاستید به میتوکندری(3)
• هسته به میتوکندری(4)
• میتوکندری به پلاستید(5)

ضخامت خطوط در شکل 1 فراوانی این انتقال را نشان می‌دهد. 

بر اساس شکل 2 میتوکندری‌ها  و کلروپلاست‌ها به ترتیب از یک نیای درون همزیست شبه پروتوباکتریایی و سیانوباکتریایی به‌وجود آمده‌اند؛ اما بیشتر ژن‌هایی که در ژنوم این نیاهای اولیه وجود داشته‌اند، به هسته منتقل شده‌اند. (پیکان‌های ضخیم سیاه) در نتیجه، این دو ‌اندامک به شدت به ژن‌های هسته وابسته هستند و بیشتر از 90 درصد پروتئین‌های خود را از سیتوپلاسم دریافت می‌کنند (پیکان‌های سفید).

پیکان‌های منقطع انتقال  بین‌اندامکی DNA را نشان می‌دهند که هنوز به هسته منتقل می‌شوند. همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، توالی‌هایی از ژنوم کلروپلاستی در ژنوم میتوکندری و هسته یافت می‌شوند؛ اما در میتوکندری این مسئله فقط در ژنوم هسته دیده می‌شود و در کلروپلاست وجود ندارد و یا بسیار کم است.

اگرچه ‌اندامک‌ها بسیاری از فعالیت‌های بیوشیمیایی پروکاریوتی خود را حفظ کرده‌اند؛ اما ژنوم آن‌ها تنها سهم کوچکی از پروتئین‌های ‌اندامکی را کد می‌کند

سرنوشت ژن‌های سیانوباکتری و اهداف درون سلولی محصولات ژنی در گیاه گلدار آرابیدوپسیس تالیانا

مطالعات نشان داده است که در طول دو بیلیون سال از زمان تشکیل یوکاریوت‌ها بسیاری از ژن‌ها از ژنوم ‌اندامک اجدادی به هسته انتقال یافته و بسیاری از این ژن‌ها از نظر کارآیی از نسخه‌های کارآمد هسته بوده و در بیوژنز میتوکندری و کلروپلاست دخالت داشته، اما تعدادی از این ژن‌ها به منظور کنترل فرایند‌های ضروری سلول تحول پیدا کرده‌اند. مکانیسم کاهش ژنوم در انگل‌ها اساساً با کاهش ژنوم‌ اندامک‌های سیتوپلاسمی ‌متفاوت است. انگل‌ها ژن‌هایی را که به مدت طولانی نیاز ندارند کاملاً از دست می‌دهند اما‌ اندامک‌ها به فراورده‌های بسیاری از ژن‌هایی که با انتقال به کروموزوم میزبان از آن چشم پوشی می‌کنند نیاز دارند. بنابراین کاهش ژنوم ‌اندامک به گستردگی کاهش ژنوم انگل‌ها نیست به عبارت دیگرکاهش ژنوم در انگل‌ها به معنای از دست دادن ژن‌ها و نقش آن‌ها بوده اما در ‌اندامک‌ها، کاهش ژنوم  تنها به معنای از دست دادن ژن‌ها بوده اما نقش آن‌ها محفوظ مانده است. همزمان با بازسازی ژنوم هسته با استفاده از ژنوم ‌اندامک‌ها، هسته نقش ژن‌های ‌اندامک را از آن خود کرده و مسیرهای بیوشیمیایی از ‌اندامک به‌طور کامل به سیتوزول منتقل شده و ژنوم‌های میتوکندریایی و پلاستیدی از نظر ‌اندازه کاهش یافتند. همان‌طور که در شکل  3 مشخص است بر اساس مقایسه توالی ژنوم، درون همزیست‌های اجدادی احتمالاً شبه سیانوباکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن تشکیل‌دهنده هتروسیست مانند آنابنا واریابیلیس نوستوک (Anabaena  variabilisNostoc sp.) بوده‌اند.

منتقل شده و ژنوم‌های میتوکندریایی و پلاستیدی از نظر ‌اندازه کاهش یافتند. همان‌طور که در شکل  3 مشخص است بر اساس مقایسه توالی ژنوم، درون همزیست‌های اجدادی احتمالاً شبه سیانوباکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن تشکیل‌دهنده هتروسیست مانند آنابنا واریابیلیس نوستوک (Anabaena  variabilisNostoc sp.)  بوده‌اند.

پیکان‌های سبز رنگ، منشأ ژن‌های هسته و پلاستید را از سیانوباکتری نشان می‌دهد. (4100 ژن برای هسته و 87 ژن برای پلاستید). پیکان‌های قرمز رنگ، اهداف درون سلولی محصولات ژنی هسته را نشان می‌دهد که منشأ سیانوباکتریایی دارند و براساس شکل 1 از مجموع 4100  فراورده حاصل از ژن‌های هسته که در فرایند همزیستی از سیانوباکتری به ژنوم هسته انتقال یافته‌اند. تعداد 1300 فراورده ژنی برای پلاستید، 200 عدد برای میتوکندری، 900 عدد برای مسیرهای ترشحی و 1700 عدد برای سایر موارد  هدف‌گذاری شده‌اند. سهم ژن‌های هسته که منشأ سیانوباکتریایی دارند با رنگ سبز داخل دایره مشخص شده است.

انگل‌ها ژن‌هایی را که به مدت طولانی نیاز ندارند کاملاً از دست می‌دهند اما‌ اندامک‌ها به فراورده‌های بسیاری از ژن‌هایی که با انتقال به کروموزوم میزبان از آن چشم پوشی می‌کنند نیاز دارند

مقایسه ژنوم کلروپلاستی و میتوکندریایی با ژنوم سیانوباکتری‌ها و پروتو باکتری‌ها

اینکه چه تعداد پروتئین توسط cp DNA و mt DNA به رمز در می‌آیند بستگی به  نوع گونه دارد.  مقایسه ‌اندازه ژنوم‌ اندامک‌ها با ژنوم اجدادی آن‌ها نشان‌دهنده کاهش حجم زیادی از ژنوم ‌اندامک‌ها و انتقال آن به ژنوم هسته است.  نزدیک‌ترین نژاد ژنوم‌های میتوکندریایی و کلروپلاستی به ترتیب آلفا پروتوباکتری و سیانوباکتری‌های آزاد زی بوده و بررسی ژنوم آن‌ها نشان می‌دهد که در مزوریزوبیوم لوتی (Mesorhizobium loti) و برادی ریزوبیوم ژاپونیکوم (Bradyrhizobium japonicum ) که هر دو از آلفا پروتوباکتری‌ها ( اجداد میتوکندری) هستند به ترتیب دارای ‌اندازه ژنوم به طول 6/7 و 1/9 Mb بوده و بیش از 7200 و بیش از 8300 پروتئین را به رمز در می‌آورند و در جلبک نوستوک پانکتیفورم ( Nostoc punctiforme) و سینکوسیس‌تیس (Synechocystis. sp) که هر دو از سیانوباکتری‌ها (اجداد پلاستیدها) هستند به ترتیب دارای‌اندازه ژنوم به طول 9 و 5/ 3 Mb بوده و 7400 و 3168 پروتئین را به رمز در می‌آورند. در حالی‌که ژنوم‌های کلروپلاست و میتوکندری در سلول‌های یوکاریوتی از نظر‌اندازه و تعداد پروتئین‌هایی را که به رمز در می‌آورند کاهش شدیدی را در مقایسه با ژنوم اجدادی خود نشان می‌دهند. به‌عنوان مثال ژنوم کلروپلاستی در ذرت دارای 140 کیلو جفت باز و 76 ژن کدکننده پروتئین می‌باشد و ژنوم میتوکندری در آرابیدوپسیس تالیانا دارای 367 کیلو جفت باز و 31 ژن کدکننده پروتئین می‌باشد. ( جدول۲)

مکانیسم انتقال DNA از کلروپلاست به هسته

یکی از دلایل تمایل ژن‌ها برای انتقال از کلروپلاست به هسته در طول تحول، وجود سیستم‌های ردوکسی در ‌اندامک‌هاست که ممکن است میزان جهش القایی توسط رادیکال‌های آزاد را در ژن‌ها افزایش دهد؛ لذا تمایل به انتقال به هسته پیدا کردند. 

قطعه یا رشته‌ای از ژنوم کلروپلاست می‌تواند با دو مکانیسم احتمالی مختلف به هسته قابل انتقال باشد:

• مکانیسم اول: وارد شدن مستقیم DNA‌ اندامک به هسته

• مکانیسم دوم: انتقال DNA وابسته به RNA از طریق فرایند نسخه‌برداری معکوس

در بررسی دو احتمال مذکور گفته شده است که اگر انتقال DNA با وساطت RNA  (مکانیسم دوم) غالب باشد، باید بخش‌های نسخه‌برداری شده ژنوم پلاستید فراوان‌تر از نواحی غیرنسخه‌برداری شده آن در هسته باشد؛ اما مطالعات نشان می‌دهد که همه قسمت‌های ژنوم پلاستید در هسته با فراوانی‌های مشابهی وجود دارند. بنابراین، انتقال به واسطهDNA  (مکانیسم  اول) روش غالبی است که قطعهDNA پلاستید را به هسته انتقال می‌دهد. وجود قطعات بسیار بزرگ DNA کلروپلاستی در هسته این دیدگاه را تأیید می‌کند.

هم چنین انتقال به واسطه DNA ممکن است به وسیله دو مسیر جداگانه صورت گیرد:

• مسیر اول: جذب مستقیم DNA پلاستید به وسیله هسته.

• مسیر دوم: جذب از طریق یک مسیر غیرمستقیم که توسط میتوکندری صورت می‌گیرد.

ژنوم‌های کلروپلاست و میتوکندری در سلول‌های یوکاریوتی از نظر‌اندازه و تعداد پروتئین‌هایی را که به رمز در می‌آورند کاهش شدیدی را در مقایسه با ژنوم اجدادی خود نشان می‌دهند

بررسی‌ها نشان داده است که عمده قطعات DNA پلاستیدی در ژنوم هسته، منحصراً در ژنوم پلاستیدی وجود دارند و در ژنوم میتوکندری یافت نمی‌شوند. این موضوع روشن می‌سازد که جذب مستقیم DNA  پلاستید توسط هسته (مسیر اول) مسیر اصلی انتقال است.  البته، تعدادی از مطالعات نشان می‌دهند که ژنوم میتوکندری، DNA پلاستید را احاطه کرده و آن را به هسته انتقال می‌دهد. به‌عنوان مثال انتقال غیرمستقیم DNA از طریق ژنوم میتوکندری (مسیر دوم) در برنج به کرات مشاهده شده است، اما نقش آن در مجموع کل DNA پلاستیدی هسته کوچک به نظر می‌رسد.  قطعات DNA پلاستیدی هسته نه تنها توسط جابه‌جایی و انتقال DNA پلاستید شکل می‌گیرند، بلکه طی فرایند مضاعف‌شدگی این قطعات نیز در هسته تولید می‌شوند.

پی‌نوشت‌ها

1. Endosymbiosis

2. liverwort

3. Tobacco

4. Plastome

5. DNA integrants of mitochondrial nuclear

6. DNA integrants of  plastid nuclear

7. Nuclear integrants of organelle DNA

منابع

1. Cullis, C.  A. ,Vorster, B.  J.  C. , Vyver, V.  D.   and  Kunert,  K.  J (2009) .  Transfer of genetic material between the chloroplast and nucleus: how is it related to stress in plants? Annals of Botany 103: 625–633. 

2. Kleine, T. , Maier, U.  G.  and Leister, D. ( 2009).  DNA Transfer from Organelles to the Nucleus:

The Idiosyncratic Genetics of Endosymbiosis.  Annu.  Rev.  Plant Biol. 60:115-138. 

3. Tmmis, J.  N. ,  Ayliffe, M.  A. , Huang, C.  Y.  and Martin, W.  (2004).  Endosymbiotic Gene Transfer Organelle Genomes  Forge Eukaryotic Chromosomes.  Nature Reviews, Genetics,Vol. 5, 123-135.

4. Matsuo, M. , Ito, Y. , Yamauchi, R. , and Obokata, J.  ( 2005).  The Rice Nuclear Genome Continuously Integrates, Shuffles, and Eliminates the Chloroplast Genome to Cause Chloroplast–Nuclear DNA Flux. The Plant Cell, American Society of Plant Biologists, Vol.  17, 665–675. 

5.Wang, D. and Timmis, J.  N.  (2013).  Cytoplasmic Organelle DNA Preferentially Inserts into Open Chromatin. Genome Biol.  Evol. 5(6):1060–1064

Noutsos, C.  Richly, E.  and Leister, D. (2015).  Generation and 6. evolutionary fate of insertions of organelle DNA in the nuclear genomes of flowering plants.  Genome Research, 15:616–628

ترجمه: حسن مدرس‌زاده، معلم زیست‌شناسی گرگان
دانشجوی دکترای فیزیولوژی گیاهی دانشگاه آزاد اسلامی واحد گرگان