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6.14:

Confronto tra il genoma mitocondriale, cloroplastico e procariotico

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Biologia Molecolare
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Comparing Mitochondrial, Chloroplast, and Prokaryotic Genomes

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Le cellule predatrici primitive, hanno fagocitato i batteri, che successivamente si sono evoluti in mitocondri, formando le cellule eucariotiche. Anche cianobatteri fotosintetici formarono relazioni simbiotiche con alcune di queste cellule eucariotiche e si evolsero infine nel cloroplasto. I genomi mitocondriali e cloroplasti attuali sono il risultato di questi genomi procariotici ancestrali.Rispetto ai genomi mitocondriali, i genomi dei procarioti attuali sono grandi, come in Escherichia coli, che contiene circa 5 milioni di coppie di basi e quasi 5, 000 geni. Il genoma mitocondriale umano è lungo quasi 17, 000 coppie di basi e contiene 37 geni, mentre il genoma mitocondriale di Arabidopsis thaliana, una pianta floreale, ha oltre 350, 000 coppie di basi ma contiene solo 57 geni. Rispetto ai genomi cianobatterici attuali come il genoma di synecocystis, che ha circa 3.5 milioni di coppie di basi e trasporta circa 3, 200 geni, il genoma del cloroplasto tra le piante terrestri, ha fino a 200, 000 coppie di basi e contiene da 120 a 135 geni.Anche se sono molto più piccoli, sia i genomi mitocondriali che quelli dei cloroplasti sono simili al genoma procariotico in diversi modi. Il loro DNA non si associa con le proteine istoniche ed è di solito circolare e a doppio filamento, simile a quello dei plasmidi batterici. Rispetto al genoma mitocondriale, il genoma cloroplastico assomiglia molto di più al genoma procariotico.Sia cloroplasto che i genomi procariotici hanno sequenze di DNA molto simili per promotori e terminatori di trascrizione. Inoltre, i genomi mitocondriali animali sono generalmente più piccoli del genoma mitocondriale nelle piante, poiché sia i genomi mitocondriali dei cloroplasti che quelli vegetali hanno introni che sono assenti nella maggior parte dei genomi mitocondriali animali.

6.14:

Confronto tra il genoma mitocondriale, cloroplastico e procariotico

The present-day mitochondrial and chloroplast genomes have retained some of the characteristics of their ancestral prokaryotes and also have acquired new attributes during their evolution within eukaryotic cells. Like prokaryotic genomes, mitochondrial and chloroplast genomes neither bind with histone-like proteins nor show complex packaging into chromosome-like structures, as observed in eukaryotes. Unlike mitotic cell divisions observed in eukaryotic cells, mitochondria and chloroplasts undergo binary fission and equally separate their DNA into the daughter organelles as observed in prokaryotes. Furthermore, ribosomes in both mitochondria and chloroplasts are sensitive to antibacterial antibiotics.

Prokaryotic genomes have millions of base pairs and thousands of genes; mitochondrial and chloroplast genomes, except in a few plants,  are much smaller with numbers of base pairs in the thousands with a few hundred genes. This difference in genome size occurred because, during evolution, significant parts of primitive mitochondrial and chloroplast genomes were exported to the nucleus. This export of genes made them dependent on the nuclear genome for the supply of some of the proteins required for their biogenesis.

The different evolutionary paths taken by animals and plants have resulted in significant differences between genomes of animal mitochondria and plant mitochondria and chloroplasts. Animal mitochondrial genomes are smaller than plant mitochondrial and chloroplast genomes. Also, similar to most prokaryotic genomes, animal mitochondrial genomes do not carry any introns. However, introns are present in the genomes of both plant mitochondria and chloroplasts. Compared to mitochondrial genomes, chloroplast genomes show less variation in size and structure and also contain more genes.  For example, the number of genes present in the chloroplast genome of Arabidopsis thaliana is almost double of the genes present in its mitochondrial genome. Furthermore, chloroplast genomes are more similar to their prokaryotic counterparts than the mitochondrial genome as they are similar in their regulatory sequences and arrangement of many gene clusters.

Suggested Reading

  1. Smith, David Roy, and Patrick J. Keeling. "Mitochondrial and plastid genome architecture: reoccurring themes, but significant differences at the extremes." Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 33 (2015): 10177-10184.
  2.  Shah, VC. "Evolution of Chloroplast Genome." Proc. Indian natn. Sci. Acad. B49 N0 6 (1983): 636-646.