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6.14: Einen kompletten Eukaryoten herstellen - Biologie

6.14: Einen kompletten Eukaryoten herstellen - Biologie


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Bisher haben wir nur einige der Unterschiede zwischen Prokaryonten (Bakterien und Archaeen) von Eukaryonten angesprochen. Im Fall des mit der aeroben Atmung assoziierten Systems befinden sich diese Systeme in den inneren Membranen von doppelmembrangebundenen zytoplasmatischen Organellen, die als bekannt sind Mitochondrien. Photosynthetische Eukaryoten (Algen und Pflanzen) haben eine zweite Art von zytoplasmatischen Organellen (zusätzlich zu den Mitochondrien), bekannt als Chloroplasten. Tatsächlich legt eine detaillierte Analyse der beteiligten Gene und Proteine ​​nahe, dass die Elektronentransport-/ATP-Synthese-Systeme eukaryotischer Mitochondrien denen von ɣ-Proteobakterien homolog sind, während die Lichtsammel-/Reaktionszentrum-Komplexe, Elektronentransportketten und ATP-Syntheseproteine ​​von photosynthetischen Eukaryoten (Algen und Pflanzen) scheinen homolog zu denen einer zweiten Bakterienart zu sein, den photosynthetischen Cyanobakterien188. Wie verstehen wir diese Beobachtungen?

Wenn sich eine eukaryotische Zelle teilt, muss sie natürlich auch ihre Mitochondrien und Chloroplasten repliziert haben, da sie sonst durch Verdünnung verloren gehen würden. 1883 bemerkte Andreas Schimper (1856-1901), dass sich Chloroplasten unabhängig von ihren Wirtszellen teilen. Aufbauend auf Schimpers Beobachtung schlug Konstantin Merezhkovsky (1855-1921) vor, dass Chloroplasten ursprünglich unabhängige Organismen und Pflanzenzellen Chimären seien, eigentlich zwei unabhängige Organismen, die zusammenleben. In ähnlicher Weise schlug Ivan Wallin (1883-1969) 1925 vor, dass die Mitochondrien eukaryotischer Zellen aus Bakterien stammen. Diese „endosymbiotische Hypothese“ für die Ursprünge eukaryotischer Mitochondrien und Chloroplasten fiel in Ungnade, zum großen Teil, weil die molekularen Methoden zur eindeutigen Klärung dieser Implikationen nicht verfügbar waren. Ein Durchbruch kam mit der Arbeit von Lynn Margulis (1938-2011) und wurde weiter unterstützt, als festgestellt wurde, dass sowohl die mitochondrialen als auch die chloroplastischen Proteinsynthesemaschinen empfindlich auf Medikamente reagieren, die die bakterielle, aber nicht die eukaryotische Proteinsynthese hemmen. Darüber hinaus wurde entdeckt, dass Mitochondrien und Chloroplasten zirkuläre DNA-Moleküle enthalten, die ähnlich organisiert sind wie die DNA-Moleküle in Bakterien (wir werden die DNA und ihre Organisation bald betrachten).

Alle Eukaryoten scheinen Mitochondrien zu haben. Hinweise darauf, dass einige Eukaryoten, wie die menschlichen anaeroben Parasiten Giardia intestinalis, Trichomonas vaginalis und Entamoeba histolytica189 versäumten es nicht, zytoplasmatische Organellen, die als Mitosomen bekannt sind, als degenerierte Mitochondrien zu erkennen. Basierend auf diesen und anderen Daten ist es nun wahrscheinlich, dass alle Eukaryoten von einem Vorfahren abstammen, der ein aerobes α-Proteobakterien-ähnliches Bakterium verschlungen hat. Anstatt abgetötet und verdaut zu werden, überlebten diese (oder auch nur eines) dieser Bakterien in der eukaryontischen Zelle, replizierten sich und wurden bei der Teilung der Elternzelle in die Nachkommenszelle verteilt. Dieser Prozess führte dazu, dass das eingehüllte Bakterium zu einem Endosymbionten wurde, der im Laufe der Zeit zu Mitochondrien wurde. Gleichzeitig wurde die verschlingende Zelle von der Anwesenheit des Endosymbionten abhängig, um zunächst molekularen Sauerstoff zu entgiften und dann molekularen Sauerstoff als Elektronenakzeptor zu nutzen, um die Energie zu maximieren, die aus dem Abbau komplexer Moleküle gewonnen werden konnte. Alle Eukaryoten (einschließlich uns) stammen von diesem mitochondrienhaltigen eukaryotischen Vorfahren ab, der vor etwa 2 Milliarden Jahren auftauchte. Das zweite endosymbiotische Ereignis in der eukaryotischen Evolution trat auf, als ein Cyanobakterien-ähnliches Bakterium eine Beziehung zu einem mitochondrienhaltigen Eukaryoten einging. Aus dieser Abstammungslinie entstanden die Glaukophyten, die Rot- und die Grünalge. Aus den Grünalgen wiederum entstanden die Pflanzen.

Wenn wir moderne Organismen betrachten, gibt es eine Reihe von Beispielen für ähnliche Ereignisse, dh, ein Organismus wird durch endosymbiotische Prozesse untrennbar mit einem anderen verbunden. Es gibt auch Beispiele für enge Kopplungen zwischen Organismen, die eher dem Parasitismus als einer gegenseitig vorteilhaften Interaktion (Symbiose) ähneln.190. Zum Beispiel haben eine Reihe von Insekten intrazelluläre bakterielle Parasiten und einige Krankheitserreger und Parasiten leben in menschlichen Zellen191. In einigen Fällen können sogar diese Parasiten Parasiten haben. Betrachten Sie die Wollläuse Planococcus citri, ein mehrzelliger Eukaryont; Dieser Organismus enthält Zellen, die als Bakteriozyten bekannt sind. Innerhalb dieser Zellen befinden sich Tremblaya Princeps Typ β-Proteobakterien. Überraschenderweise innerhalb dieser Tremblaya Bakterienzellen, die innerhalb der Wollläusezellen liegen, leben Moranella Endobie-Typ γ-Proteobakterien192. In einem anderen Beispiel gab es nach dem anfänglichen endosymbiotischen Ereignis, das die Protoalgenzelle, den Vorfahren der Rot- und Grünalgen und der Pflanzen, bildete, endozytische Ereignisse, bei denen eine eukaryotische Zelle verschlungen wurde und eine endosymbiotische Beziehung mit eukaryotischen Grünalgenzellen gebildet hat , um einen „sekundären“ Endosymbionten zu bilden. In ähnlicher Weise wurden sekundäre Endosymbionten von einem weiteren Eukaryoten verschlungen, um einen tertiären Endosymbionten zu bilden193. Die Schlussfolgerung ist, dass es Kombinationen von Zellen gibt, die in einer bestimmten ökologischen Nische besser überleben können als beide allein. In diesen Phänomenen sehen wir die Macht evolutionärer Prozesse, extrem obskure ökologische Nischen auf ziemlich überraschende Weise zu bevölkern.


Ein neuer Blick auf den Baum des Lebens

Der Lebensbaum ist eines der wichtigsten Ordnungsprinzipien in der Biologie 1 . Genuntersuchungen legen die Existenz einer enormen Anzahl von Ästen nahe 2 , aber selbst eine Annäherung an die volle Größe des Baumes ist schwer fassbar geblieben. Neuere Darstellungen des Lebensbaums haben sich entweder auf die Natur tiefer evolutionärer Beziehungen 3–5 oder auf die bekannte, gut klassifizierte Vielfalt des Lebens mit Schwerpunkt auf Eukaryoten 6 konzentriert. Diese Ansätze übersehen den dramatischen Wandel in unserem Verständnis der Vielfalt des Lebens, der sich aus der genomischen Probenahme von zuvor nicht untersuchten Umgebungen ergibt. Neue Methoden zur Generierung von Genomsequenzen beleuchten die Identität von Organismen und ihre Stoffwechselkapazitäten, indem sie sie in Gemeinschaften und Ökosysteme einordnen 7,8 . Hier verwenden wir neue genomische Daten von über 1.000 unkultivierten und wenig bekannten Organismen zusammen mit veröffentlichten Sequenzen, um eine dramatisch erweiterte Version des Baumes des Lebens abzuleiten, einschließlich Bakterien, Archaea und Eukarya. Die Darstellung ist sowohl ein globaler Überblick als auch eine Momentaufnahme der Vielfalt innerhalb jeder Hauptlinie. Die Ergebnisse zeigen die Dominanz der bakteriellen Diversifizierung und unterstreichen die Bedeutung von Organismen, denen isolierte Vertreter fehlen, wobei sich eine wesentliche Evolution auf eine starke Strahlung solcher Organismen konzentriert. Dieser Baum hebt wichtige Linien hervor, die derzeit in biogeochemischen Modellen unterrepräsentiert sind, und identifiziert Strahlungen, die für zukünftige evolutionäre Analysen wahrscheinlich wichtig sind.

Frühe Ansätze zur Beschreibung des Baumes des Lebens unterschieden Organismen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und metabolischen Eigenschaften. Molekulare Methoden erweiterten die Vielfalt, die in den Baum aufgenommen werden konnte, dramatisch, da sie die Notwendigkeit einer direkten Beobachtung und eines Experiments umgingen, indem sie sich auf sequenzierte Gene als Marker für Abstammungslinien stützten. Genstudien, die typischerweise das Gen der kleinen ribosomalen RNA (SSU rRNA) verwenden, lieferten einen bemerkenswerten und neuartigen Blick auf die biologische Welt 1,9,10 , aber es bleiben Fragen zu Struktur und Ausmaß der Diversität. Organismen aus neuen Abstammungslinien haben sich Umfragen entzogen, da viele für diese Verfahren aufgrund der Sequenzdivergenz relativ zu den üblicherweise für die Genamplifikation verwendeten Primern unsichtbar sind 7,11. Darüber hinaus können ungewöhnliche Sequenzen, einschließlich solcher mit unerwarteten Insertionen, als Artefakte verworfen werden 7 .

Die Rekonstruktion des gesamten Genoms wurde erstmals 1995 durchgeführt (Ref. 12), mit einem nahezu exponentiellen Anstieg der Zahl der gemeldeten Genomentwürfe jedes Folgejahr. Es gibt 30.437 Genome aus allen drei Lebensbereichen – Bakterien, Archaea und Eukarya – die derzeit in der Integrated Microbial Genomes Database des Joint Genome Institute (Zugriff am 24. September 2015) verfügbar sind. Zu dieser Expansion der Genomzahlen tragen Einzelzell-Genomik 13 und Metagenomik-Studien bei. Metagenomics ist eine auf Shotgun-Sequenzierung basierende Methode, bei der direkt aus der Umgebung isolierte DNA sequenziert wird und die rekonstruierten Genomfragmente Entwurfsgenomen 14 zugeordnet werden. Neue bioinformatische Methoden liefern vollständige und nahezu vollständige Genomsequenzen, ohne auf Kultivierung oder Referenzgenome angewiesen zu sein 7,15 . Diese genom- (und nicht gen-)basierten Ansätze liefern Informationen über das metabolische Potenzial und eine Vielzahl von phylogenetisch informativen Sequenzen, die zur Klassifizierung von Organismen verwendet werden können 16 . Hier haben wir einen Baum des Lebens konstruiert, indem wir Genome aus öffentlichen Datenbanken und 1.011 neu rekonstruierte Genome, die wir aus einer Vielzahl von Umgebungen gewonnen haben, verwendet haben (siehe Methoden).

Um diesen Lebensbaum darzustellen, haben wir einen Satz von 16 ribosomalen Proteinsequenzen von jedem Organismus ausgerichtet und verkettet. Dieser Ansatz ergibt einen Baum mit höherer Auflösung, als er von einem einzelnen Gen erhalten wird, wie dem weit verbreiteten 16S rRNA-Gen 16 . Die Verwendung ribosomaler Proteine ​​vermeidet Artefakte, die aus Phylogenien entstehen würden, die unter Verwendung von Genen mit nicht verwandten Funktionen konstruiert wurden und unterschiedlichen evolutionären Prozessen unterliegen. Ein weiterer wichtiger Vorteil der ausgewählten ribosomalen Proteine ​​besteht darin, dass sie dazu neigen, syntenisch zu sein und sich in einer kleinen genomischen Region in Bakterien und Archaeen gemeinsam zu befinden, wodurch Binning-Fehler reduziert werden, die die Geometrie des Baums erheblich stören könnten. In diesem Baum ist ein Vertreter pro Gattung für alle Gattungen enthalten, für die hochwertige Entwurfs- und Vollgenome existieren (insgesamt 3.083 Organismen).

Trotz der methodischen Herausforderungen haben wir Vertreter aller drei Lebensbereiche einbezogen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf dem Status von Bakterien und Archaea, da diese Organismen mit makroskopischen Ansätzen am schwierigsten zu profilieren waren und in letzter Zeit erhebliche Fortschritte beim Erwerb neuer Genomsequenzen erzielt wurden 7,8,13 . Die Platzierung von Eukarya relativ zu Bakterien und Archaea ist umstritten 1,4,5,17,18 . Es wird angenommen, dass Eukaryoten evolutionäre Chimären sind, die durch endosymbiotische Fusion entstanden sind, wahrscheinlich unter Beteiligung von Bakterien- und Archaeenzellen 19 . Hier versuchen wir nicht, die Platzierung der Eukarya selbstbewusst zu lösen. Wir positionieren sie mithilfe von Sequenzen einer Teilmenge ihrer nuklearkodierten ribosomalen Proteine, ein Ansatz, der sie basierend auf der Vererbung ihrer Informationssysteme im Gegensatz zu Lipid- oder anderen zellulären Strukturen klassifiziert 5 .

Abbildung 1 zeigt einen neuen Blick auf den Lebensbaum. Dies ist einer von einer relativ kleinen Anzahl von Drei-Domänen-Bäumen, die bisher aus molekularen Informationen erstellt wurden, und der erste umfassende Baum, der seit der Entwicklung der genomaufgelösten Metagenomik veröffentlicht wurde. Wir heben alle wichtigen Abstammungslinien mit genomischer Darstellung hervor, von denen die meisten Zweige auf Stammebene sind (siehe ergänzende Abb. 1 für vollständige Bootstrap-Unterstützungswerte). Wir identifizieren jedoch getrennt die Klassen der Proteobakterien, da der Stamm nicht monophyletisch ist (zum Beispiel, der Deltaproteobakterien-Zweig entfernt von den anderen Proteobakterien, wie zuvor berichtet 2,20).

Der Baum umfasst 92 benannte Bakterienstämme, 26 Archaeenstämme und alle fünf der eukaryotischen Supergruppen. Hauptlinien werden willkürliche Farben zugewiesen und mit gut charakterisierten Abstammungsnamen in Kursivschrift benannt. Abstammungslinien, denen ein isolierter Vertreter fehlt, werden mit nicht kursiv gedruckten Namen und roten Punkten hervorgehoben. Einzelheiten zu Taxon-Sampling und Bauminferenz finden Sie unter Methoden. Die Namen Tenericutes und Thermodesulfobacteria werden in Klammern gesetzt, um anzuzeigen, dass sich diese Linien innerhalb der Firmicutes bzw. der Deltaproteobacteria verzweigen. Eukaryotische Supergruppen werden zwar erwähnt, aber aufgrund der geringen Auflösung dieser Abstammungslinien nicht anders abgegrenzt. Den CPR-Stämmen wird eine einzige Farbe zugewiesen, da sie ausschließlich aus Organismen ohne isolierte Vertreter bestehen und sich auf niedrigeren taxonomischen Ebenen noch in der Definition befinden. Der vollständige ribosomale Proteinbaum ist im rechteckigen Format mit vollständigen Bootstrap-Werten als Supplementary Abb. 1 und im Newick-Format im Supplementary Dataset 2 verfügbar.

Der Baum in Abb. 1 rekapituliert die erwarteten Organismengruppierungen auf den meisten taxonomischen Ebenen und stimmt weitgehend mit dem Baum überein, der unter Verwendung traditioneller SSU-rRNA-Gensequenzinformationen berechnet wurde (Ergänzende Abb. 2). Die Unterstützungswerte für taxonomische Gruppen sind auf den Ebenen Spezies bis Klasse stark (>85%), mit mäßiger bis starker Unterstützung für Phyla (>75% in den meisten Fällen), aber die Verzweigungsreihenfolge der tiefsten Äste kann nicht sicher aufgelöst werden (Ergänzung Abb. 1). Die geringere Unterstützung für die Platzierung tiefer Zweige ist eine Folge unserer Priorisierung der Taxon-Sampling-Anzahl gegenüber der Anzahl der Gene, die für die Baumkonstruktion verwendet werden. Wie kürzlich vorgeschlagen, verzweigt sich die Eukarya, eine Gruppe, die Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere umfasst, innerhalb der Archaea, insbesondere innerhalb des TACK-Superphylums 21 und Geschwister der Lokiarchaeota 22 . Interessanterweise ist diese Platzierung im SSU-rRNA-Baum, der die von Woese und Mitarbeiter 1990 vorgeschlagene Drei-Domänen-Topologie aufweist, nicht ersichtlich 1 (Ergänzende Abb. 2). Der Zwei-Domänen-Eocyte-Baum und der Drei-Domänen-Baum sind konkurrierende Hypothesen für den Ursprung von Eukarya. Wichtige Vorteile des ribosomalen Proteinbaums gegenüber dem SSU-rRNA-Genbaum sind, dass er Organismen mit unvollständigen oder nicht verfügbaren SSU-rRNA-Gensequenzen umfasst und die tieferen Strahlungen stärker auflöst. Es wurde gezeigt, dass ribosomale Proteine ​​zusammensetzungsbedingte Verzerrungen in den drei Domänen enthalten, die durch thermophile, mesophile und halophile Lebensweisen sowie durch einen primitiven genetischen Code angetrieben werden 23 . Eine fortgesetzte Erweiterung der Anzahl von Genomsequenzen für nicht-extremophile Archaea, wie die DPANN-Linien 8,13, kann eine Klärung dieser kompositorischen Verzerrungen ermöglichen.

Auffallend an diesem Baum ist die große Zahl von Hauptlinien ohne isolierte Vertreter (rote Punkte in Abb. 1). Viele dieser Abstammungslinien sind in diskreten Regionen des Baums zusammengefasst. Besonders hervorzuheben ist die Candidate Phyla Radiation (CPR) 7 , die in Abb. 1 violett hervorgehoben ist. Basierend auf Informationen, die von Hunderten von Genomen aus genomaufgelösten Metagenomik- und Einzelzell-Genomikmethoden bis heute verfügbar sind, haben alle Mitglieder relativ kleine Genome und die meisten haben etwas (wenn nicht stark) eingeschränkte Stoffwechselkapazitäten 7,13,24 . Viele werden als Symbionten 7,25,26 gefolgert (und einige wurden gezeigt). Bisher fehlen allen Zellen vollständige Zitronensäurezyklen und Atmungsketten und die meisten haben eine begrenzte oder keine Fähigkeit, Nukleotide und Aminosäuren zu synthetisieren. Es bleibt unklar, ob diese reduzierten Metabolismen eine Folge des superphylumweiten Kapazitätsverlustes sind oder ob es sich um vererbte Merkmale handelt, die auf eine frühe metabolische Plattform für das Leben hinweisen. Wenn sie vererbt wurden, könnte die Annahme symbiotischer Lebensstile eine spätere Innovation dieser Organismen gewesen sein, als wieder komplexere Organismen auftauchten.

Abbildung 2 zeigt eine andere Perspektive, in der die Hauptlinien des Baums anhand der evolutionären Distanz definiert werden, sodass die Hauptgruppen ohne Verzerrungen aufgrund historischer Namenskonventionen sichtbar werden. Diese Darstellung verwendet den gleichen abgeleiteten Baum wie in Abb. 1, jedoch mit Gruppen, die auf der Grundlage der durchschnittlichen Zweiglänge zu den Blatttaxa definiert sind. Wir wählten eine durchschnittliche Zweiglänge, die die aktuelle Taxonomie am besten wiedergibt (kleinere Werte fragmentierten viele derzeit akzeptierte Stämme und größere Werte brachen akzeptierte Stämme in sehr wenige Linien zusammen, siehe Methoden). In Abb. 2 ist das enorme Ausmaß der Evolution zu erkennen, die innerhalb der CPR stattgefunden hat. Die Diversität innerhalb der CPR könnte ein Ergebnis des frühen Auftauchens dieser Gruppe und/oder eine Folge einer schnellen Evolution im Zusammenhang mit symbiotischen Lebensstilen sein. Die CPR tritt früh im ribosomalen Proteinbaum auf (Abb. 1), aber nicht im SSU-rRNA-Baum (Ergänzende Abb. 2). Unabhängig von der Verzweigungsreihenfolge umfasst die CPR in Kombination mit anderen Linien, denen isolierte Vertreter fehlen (rote Punkte in Abb. 2), eindeutig den Großteil der gegenwärtigen Vielfalt des Lebens.

Der Schwellenwert für Gruppen (farbige Keile) war eine durchschnittliche Astlänge von <0,65 Substitutionen pro Standort. Bemerkenswerterweise werden einige gut akzeptierte Stämme zu einzelnen Gruppen und andere werden in mehrere verschiedene Gruppen aufgeteilt. Wir haben diese Analyse durchgeführt, um eine Perspektive auf die Struktur des Baums zu geben, und schlagen den resultierenden Gruppen keinen besonderen taxonomischen Status vor. Das enorme Ausmaß der Diversität in der CPR und der große Anteil der Hauptlinien, denen isolierte Vertreter (rote Punkte) fehlen, werden aus dieser Analyse deutlich. Bootstrap-Unterstützungswerte werden durch Kreise auf den Knoten angezeigt – schwarz für eine Unterstützung von 85 % und mehr, grau für eine Unterstützung von 50 bis 84 %. Der vollständige ribosomale Proteinbaum ist im rechteckigen Format mit vollständigen Bootstrap-Werten als Supplementary Abb. 1 und im Newick-Format im Supplementary Dataset 2 verfügbar.

Domänenbakterien umfassen mehr Hauptlinien von Organismen als die anderen Domänen. Wir führen den geringeren Umfang der Archaea im Vergleich zu Bakterien nicht dem Stichprobenbias zu, da Metagenomik- und Einzelzell-Genomik-Methoden Mitglieder beider Domänen gleich gut erkennen. In Übereinstimmung mit dieser Ansicht sind Archaeen in vielen Ökosystemen weniger prominent und weniger vielfältig (z. B. Meerwasser 27 , hydrothermale Quellen 28 , der terrestrische Untergrund 15 und mit dem Menschen verbundene Mikrobiome 29 ). Die geringere scheinbare phylogenetische Diversität von Eukarya wird aufgrund ihrer vergleichsweise jungen Entwicklung voll erwartet.

Der Baum des Lebens, wie wir ihn kennen, hat sich aufgrund neuer genomischer Proben von zuvor rätselhaften oder unbekannten mikrobiellen Abstammungslinien dramatisch erweitert. Diese Darstellung des Baumes erfasst die aktuelle genomische Probenahme von Leben und veranschaulicht die Fortschritte, die in den letzten zwei Jahrzehnten nach dem ersten veröffentlichten Genom gemacht wurden. Was aus der Analyse dieses Baumes hervorgeht, ist die Tiefe der Evolutionsgeschichte, die in den Bakterien enthalten ist, teilweise aufgrund der CPR, die die Domäne zu unterteilen scheint. Am wichtigsten ist, dass die Analyse den großen Anteil an Diversität hervorhebt, der derzeit nur über kultivierungsunabhängige genomaufgelöste Ansätze zugänglich ist.


Einleitung der Transkription in Prokaryoten

RNA-Polymerase initiiert die Transkription an bestimmten DNA-Sequenzen, die als Promotoren bezeichnet werden.

Lernziele

Fassen Sie die ersten Schritte der Transkription bei Prokaryonten zusammen

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Die Transkription von mRNA beginnt an der Initiationsstelle.
  • Zwei Promotor-Konsensussequenzen befinden sich in den -10- und -35-Regionen stromaufwärts der Initiationsstelle.
  • Die σ-Untereinheit der RNA-Polymerase erkennt und bindet die -35-Region.
  • Fünf Untereinheiten (α, α, β, β’ und σ) bilden das vollständige RNA-Polymerase-Holoenzym.

Schlüsselbegriffe

  • Holoenzym: ein voll funktionsfähiges Enzym, bestehend aus all seinen Untereinheiten
  • Promoter: der DNA-Abschnitt, der die Initiation der RNA-Transkription steuert

Prokaryotische RNA-Polymerase

Prokaryoten verwenden dieselbe RNA-Polymerase, um alle ihre Gene zu transkribieren. In E coli, besteht die Polymerase aus fünf Polypeptid-Untereinheiten, von denen zwei identisch sind. Vier dieser Untereinheiten, bezeichnet als α, α, β und β’, umfassen das Polymerase-Kernenzym. Diese Untereinheiten bauen sich jedes Mal zusammen, wenn ein Gen transkribiert wird, sie zerlegen sich, sobald die Transkription abgeschlossen ist. Jede Untereinheit hat eine einzigartige Rolle: Die beiden α-Untereinheiten sind notwendig, um die Polymerase auf der DNA zusammenzusetzen, die β-Untereinheit bindet an das Ribonukleosidtriphosphat, das Teil des entstehenden “neugeborenen” mRNA-Moleküls wird und das β' 8217 bindet den DNA-Matrizenstrang. Die fünfte Untereinheit, , ist nur an der Transkriptionsinitiation beteiligt. Es verleiht eine Transkriptionsspezifität, so dass die Polymerase beginnt, mRNA von einer geeigneten Initiationsstelle zu synthetisieren. Ohne σ würde das Kernenzym von zufälligen Stellen transkribieren und mRNA-Moleküle produzieren, die Protein-Kauderwelsch spezifizierten. Die aus allen fünf Untereinheiten bestehende Polymerase wird Holoenzym genannt.

Prokaryotische Promotoren und Initiierung der Transkription

Das Nukleotidpaar in der DNA-Doppelhelix, das der Stelle entspricht, von der das erste 5′ mRNA-Nukleotid transkribiert wird, wird als +1-Stelle oder Initiationsstelle bezeichnet. Nukleotide, die der Initiationsstelle vorangehen, werden mit negativen Zahlen versehen und stromaufwärts bezeichnet. Umgekehrt werden Nukleotide, die der Initiationsstelle folgen, mit der Nummerierung “+” bezeichnet und als nachgeschaltete Nukleotide bezeichnet.

Ein Promotor ist eine DNA-Sequenz, an die die Transkriptionsmaschinerie bindet und die Transkription initiiert. In den meisten Fällen existieren Promotoren stromaufwärts der Gene, die sie regulieren. Die spezifische Sequenz eines Promotors ist sehr wichtig, da sie bestimmt, ob das entsprechende Gen ständig, gelegentlich oder selten transkribiert wird. Obwohl die Promotoren zwischen den prokaryotischen Genomen variieren, sind einige Elemente konserviert. In den -10- und -35-Regionen stromaufwärts der Initiationsstelle gibt es zwei Promotor-Konsensussequenzen oder Regionen, die über alle Promotoren und über verschiedene Bakterienarten hinweg ähnlich sind. Die -10-Konsensussequenz, die als -10-Region bezeichnet wird, ist TATAAT. Die -35-Sequenz, TTGACA, wird von erkannt und gebunden. Sobald diese Wechselwirkung erfolgt ist, binden die Untereinheiten des Kernenzyms an die Stelle. Die A–T-reiche -10-Region erleichtert das Abwickeln der DNA-Matrize, mehrere Phosphodiester-Bindungen werden hergestellt. Die Initiationsphase der Transkription endet mit der Produktion von abortiven Transkripten, bei denen es sich um Polymere von ungefähr 10 Nukleotiden handelt, die hergestellt und freigesetzt werden.

Promoter: Die σ-Untereinheit der prokaryotischen RNA-Polymerase erkennt Konsensussequenzen, die in der Promotorregion stromaufwärts vom Transkriptionsstartpunkt gefunden werden. Die σ-Untereinheit dissoziiert von der Polymerase, nachdem die Transkription initiiert wurde.


Eukaryoten

Ein Eukaryont ist eine Zelle oder ein Organismus, der einen klar definierten Kern besitzt. Die Zellen aller vielzelligen Organismen (Pflanzen, Tiere und Pilze) sind eukaryontisch. Algen und Protisten sind ebenfalls eukaryotische Organismen.

Der Kern einer eukaryontischen Zelle ist von einer Kernmembran umgeben und enthält gut definierte Chromosomen (Körper, die Erbmaterial enthalten). Eukaryotische Zellen enthalten auch membrangebundene Organellen, darunter Mitochondrien, wurstförmige Körper, die Energie produzieren der Golgi-Komplex (oder Golgi-Apparat), eine Membranstruktur, die hilft, neu gebildete Proteine ​​und Lipide aus der Zelle zu exportieren das endoplasmatische Retikulum, ein Kanal- wie ein Membransystem, das bei der Protein- und Lipidsynthese funktioniert, und Lysosomen, Vesikel, die beim Abbau von Materialien helfen. Pflanzen- und Algenzellen enthalten auch Organellen, sogenannte Plastiden, einschließlich Chloroplasten, die eine Schlüsselrolle bei der Photosynthese spielen.


Haben LGT prokaryotischen Ursprungs signifikant zu aktuellen eukaryotischen Gensets beigetragen?

Das Ausmaß der prokaryotischen LGT auf Eukaryoten ist die Frage, die Ku und Martin in ihrem kürzlich erschienenen Artikel in . angehen BMC Biologie [8]. Ihre Idee ist, dass, wenn LGT von Prokaryonten zu Eukaryonten kontinuierlich und weit verbreitet ist, Spuren von kürzlicher LGT in den Genomen von Eukaryonten nachweisbar sein müssen. Um dies zu beurteilen, haben sie ihren Datensatz von 2015, bestehend aus

2600 phylogenetische Bäume mit 55 Eukaryoten verschiedener Abstammungslinien und

2000 prokaryontische Arten. Während sie viele LGT-Kandidaten von Prokaryonten zu Prokaryonten mit hoher Ähnlichkeit zwischen Donor- und Empfängergenen identifizierten, was auf einen kürzlichen Transfer hinweist, fanden sie einen Mangel an sehr ähnlichen LGT-Kandidaten von Prokaryonten zu Eukaryonten. Während bei Prokaryoten neuere LGT-Kandidaten bei mehreren Arten in der Empfängergruppe vorkommen, wird dies bei Eukaryoten viel seltener beobachtet. Wenn die eukaryotischen Kandidatenerwerbe von plastidären und mitochondrialen Vorfahren aus der Analyse ausgeschlossen werden, verbleiben außerdem nur wenige speziesspezifische neue Kandidaten für LGT-Ereignisse. Da diese wenigen neuen Kandidaten spezifisch für eine oder wenige Arten sind und ihren prokaryotischen Kandidaten-Spendern sehr ähnlich sind, können sie nicht leicht von einer bakteriellen Kontamination unterschieden werden. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen kommen die Autoren zu dem Schluss, dass es an Evidenz für rezente LGT prokaryontischen Ursprungs in eukaryontischen Genomen mangelt und dass dieses Phänomen weder kontinuierlich noch weit verbreitet ist. Sie schlagen außerdem vor, dass jedes proteinkodierende Gen in einem eukaryotischen Genom mit ≥70 % Identität zu prokaryotischen Homologen zuerst als wahrscheinliche Kontamination und nicht als Kandidat für LGT betrachtet werden sollte.

Offensichtlich könnten auch mehrere Störfaktoren zu diesem Mangel an Kandidaten für kürzliche LGT in eukaryotischen Genomen beitragen. Erstens berücksichtigen die Autoren in ihrem Datensatz fast 40 weitere Bakterienarten (einschließlich eng verwandter Arten oder verschiedener Stämme derselben Art) als eukaryotische Arten (von denen keine eng verwandt ist). Dies kann teilweise zum Mangel an neuen LGT-Kandidaten beitragen, die zwischen mehreren Eukaryotenarten innerhalb einer Empfängergruppe konserviert sind. Man könnte auch argumentieren, dass echte Kandidaten für prokaryontische LGT-Spender nicht untersucht wurden, da die meisten wahrscheinlich unkultivierte Bakterien sind, die weit von allem entfernt sind, was sequenziert wurde. Schließlich könnte auch die Entfernung von allem, was bakteriellen Genen sehr ähnlich ist, vor der eukaryotischen Genom-Annotation (oder Assemblierung) zu diesem Mangel der mutmaßlichen neueren LGT beitragen. In vielen Genomprojekten werden diese sehr ähnlichen Sequenzen als Verunreinigungen betrachtet und sind im endgültigen Satz der vorhergesagten proteinkodierenden Gene nicht sichtbar. Wie von den Autoren festgestellt, machen diese Merkmale jedoch wahrscheinlich nur einen kleinen Teil des großen Unterschieds zwischen Prokaryonten-Prokaryonten- und Prokaryonten-Eukaryon-Verteilungen der Ähnlichkeit zwischen Kandidaten- und Empfängergenen aus. Es ist fast sicher, dass der Beitrag von LGT prokaryontischen Ursprungs zur Bildung eines eukaryontischen Kerngenoms um mehrere Größenordnungen weniger wichtig ist als bei Prokaryonten.

Was wir aus diesem aktuellen Papier und der Bärtierchen-Kontroverse schlussfolgern können, ist, dass jede Behauptung von Prokaryonten-Eukaryon-LGT (und insbesondere solche mit hoher Identität als Prokaryonten-Kandidatenspender) mit Vorsicht betrachtet werden muss und im Idealfall zusätzliche unterstützende Beweise gesammelt werden sollten. Zusätzlich zur phylogenetischen Analyse liefern Merkmale wie das Vorhandensein echter eukaryotischer Gene auf denselben Contigs wie die LGT-Kandidatensequenzen, das Vorhandensein von spleiosomalen Introns, die Konservierung des LGT-Kandidaten in Schwesterarten und die transkriptionelle Unterstützung alle zusätzliche Beweise für LGT als Kontamination.


Die Ähnlichkeiten

Es gibt viele andere Zelltypen in verschiedenen Formen, wie Neuronen, Epithelzellen, Muskelzellen usw. Aber Prokaryoten und Eukaryoten sind die einzigen echten Zellstrukturen und -typen. Die folgenden Punkte werden die wichtigsten Gemeinsamkeiten behandeln.

  • Das genetische Material, d. h. das Vorhandensein von DNA, ist zwischen den beiden Zellen gemeinsam.
  • Das Vorhandensein von RNA ist üblich.
  • Beide sind von einer Zellmembran bedeckt.
  • Ähnlichkeiten zeigen sich in ihren chemischen Grundstrukturen. Beide bestehen aus Kohlenhydraten, Proteinen, Nukleinsäuren, Mineralien, Fetten und Vitaminen.
  • Beide haben Ribosomen, die Proteine ​​​​machen.
  • Sie regulieren den Fluss von Nährstoffen und Abfallstoffen, die in die Zellen ein- und austreten.
  • Von ihnen werden grundlegende Lebensprozesse wie Photosynthese und Reproduktion durchgeführt.
  • Sie brauchen Energie, um zu überleben.
  • Beide haben ‘chemische Nasen’, die sie auf dem Laufenden halten und sich aller Reaktionen bewusst sind, die in ihnen und in der Umgebung auftreten.
  • Beide Organismen haben eine flüssigkeitsähnliche Matrix, die als Zytoplasma bezeichnet wird und die Zellen füllt.
  • Beide haben ein Zytoskelett in der Zelle, um sie zu unterstützen.
  • Sie haben eine dünne Verlängerung der Plasmamembran, die vom Zytoskelett getragen wird.
  • Geißeln und Zilien kommen in Eukaryoten vor, ebenso Endoflagella, Fimbrien, Pili und Geißeln in Prokaryoten. Sie werden für die Beweglichkeit und das Anhaften an Oberflächen oder sich bewegenden Stoffen außerhalb der Zellen verwendet.
  • Einige prokaryontische und eukaryontische Zellen enthalten Glykokalysen als gemeinsames Material. Dies ist eine Struktur auf Zuckerbasis, die klebrig ist und den Zellen hilft, sich aneinander zu verankern und ihnen einen gewissen Schutz zu geben.
  • Sie haben eine Lipiddoppelschicht, die sogenannte Plasmaschicht, die die Grenze zwischen der Innen- und Außenseite der Zelle bildet.

Es gibt viele Unterschiede zwischen ihnen, von denen Alter und Struktur die Hauptattribute sind. Wissenschaftler glauben, dass sich eukaryotische Zellen aus prokaryotischen Zellen entwickelt haben. Kurz gesagt, beide sind die kleinsten Einheiten des Lebens.

Zusammenhängende Posts

Sowohl tierische als auch pflanzliche Zellen sind eukaryontische Zellen und weisen mehrere Ähnlichkeiten auf. Die Ähnlichkeiten umfassen gemeinsame Organellen wie Zellmembran, Zellkern, Mitochondrien, endoplasmatisches Retikulum, Ribosomen und Golgi-Apparat.

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Pre-mRNAs Are Cleaved at Specific 3′ Sites and Rapidly Polyadenylated

In animal cells, all mRNAs, except histone mRNAs, have a 3′ poly(A) tail. Early studies of pulse-labeled adenovirus and SV40 RNA demonstrated that the viral primary transcripts extend beyond the poly(A) site in the viral mRNAs. These results suggested that A residues are added to a 3′ hydroxyl generated by endonucleolytic cleavage, but the predicted downstream RNA fragments are degraded so rapidly in vivo that they cannot be detected. However, this cleavage mechanism was firmly established by detection of both predicted cleavage products in in vitro processing reactions performed with extracts of HeLa-cell nuclei.

Early sequencing of cDNA clones from animal cells showed that nearly all mRNAs contain the sequence AAUAAA 10 –� nucleotides upstream from the poly(A) tail. Polyadenylation of RNA transcripts from transfected genes is virtually eliminated when template DNA encoding the AAUAAA sequence is mutated to any other sequence except one encoding AUUAAA. The unprocessed RNA transcripts produced from such mutant templates do not accumulate in nuclei, but are rapidly degraded. Further mutagenesis of sequences within a few hundred bases of poly(A) sites revealed that a second signal downstream from the cleavage site is required for efficient Spaltung und Polyadenylierung of most pre-mRNAs in animal cells. This downstream poly(A) signal is not a specific sequence but rather a GU-rich or simply a U-rich region within � nucleotides of the cleavage site.

Identification and purification of the proteins required for cleavage and polyadenylation of pre-mRNA has led to the model shown in Figure 11-12. According to this model, a 360-kDa cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF), composed of four different polypeptides, first forms an unstable complex with the upstream AU-rich poly(A) signal. Then at least three additional proteins —𠁚 200-kDa heterotrimer called cleavage stimulatory factor (CStF), a 150-kDa heterotrimer called cleavage factor I (CFI), and a second cleavage factor (CFII), as-yet poorly characterized —𠁛ind to the CPSF-RNA complex. Interaction between CStF and the GU- or U-rich downstream poly(A) signal stabilizes the multiprotein complex. Finally, a poly(A) polymerase (PAP) binds to the complex before cleavage can occur. This requirement for PAP binding links cleavage and polyadenylation, so that the free 3′ ends generated are rapidly polyadenylated. Assembly of this large, multiprotein cleavage-polyadenylation complex around the AU-rich poly(A) signal in a pre-mRNA is analogous in many ways to formation of the transcription-initiation complex at the AT-rich TATA box of a template DNA molecule (see Figure 10-50). In both cases, multiprotein complexes assemble cooperatively through a network of specific protein – nucleic acid and protein-protein interactions.

Figure 11-12

Model for cleavage and polyadenylation of pre-mRNAs in mammalian cells. Cleavage-and-polyadenylation specificity factor (CPSF) binds to an upstream AAUAAA polyadenylation signal. CStF interacts with a downstream GU- or U-rich sequence and with bound CPSF, (more. )

Following cleavage at the poly(A) site, polyadenylation proceeds in two phases. Addition of the first 12 or so A residues occurs slowly, followed by rapid addition of up to 200 –� more A residues. The rapid phase requires the binding of multiple copies of a poly(A)-binding protein containing the RNP motif. This protein is designated PABII to distinguish it from the poly(A)-binding protein that binds to the poly(A) tail of cytoplasmic mRNAs. PABII binds to the short A tail initially added by PAP, stimulating polymerization of additional A residues by PAP (see Figure 11-12). PABII is also responsible for signaling poly(A) polymerase to terminate polymerization when the poly(A) tail reaches a length of 200 –� residues, although the mechanism for measuring this length is not yet understood.


Mitgliedschaften

iGEM Wageningen UR, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands

Matthijn C Hesselman, Jasper J Koehorst, Thijs Slijkhuis, Dorett I Odoni, Floor Hugenholtz & MarkW J van Passel

Laboratory of Microbiology, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands

Laboratory of Systems and Synthetic Biology, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands

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A comprehensive evolutionary classification of proteins encoded in complete eukaryotic genomes

Hintergrund: Sequencing the genomes of multiple, taxonomically diverse eukaryotes enables in-depth comparative-genomic analysis which is expected to help in reconstructing ancestral eukaryotic genomes and major events in eukaryotic evolution and in making functional predictions for currently uncharacterized conserved genes.

Ergebnisse: We examined functional and evolutionary patterns in the recently constructed set of 5,873 clusters of predicted orthologs (eukaryotic orthologous groups or KOGs) from seven eukaryotic genomes: Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Homo sapiens, Arabidopsis thaliana, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe and Encephalitozoon cuniculi. Conservation of KOGs through the phyletic range of eukaryotes strongly correlates with their functions and with the effect of gene knockout on the organism's viability. The approximately 40% of KOGs that are represented in six or seven species are enriched in proteins responsible for housekeeping functions, particularly translation and RNA processing. These conserved KOGs are often essential for survival and might approximate the minimal set of essential eukaryotic genes. The 131 single-member, pan-eukaryotic KOGs we identified were examined in detail. For around 20 that remained uncharacterized, functions were predicted by in-depth sequence analysis and examination of genomic context. Nearly all these proteins are subunits of known or predicted multiprotein complexes, in agreement with the balance hypothesis of evolution of gene copy number. Other KOGs show a variety of phyletic patterns, which points to major contributions of lineage-specific gene loss and the 'invention' of genes new to eukaryotic evolution. Examination of the sets of KOGs lost in individual lineages reveals co-elimination of functionally connected genes. Parsimonious scenarios of eukaryotic genome evolution and gene sets for ancestral eukaryotic forms were reconstructed. The gene set of the last common ancestor of the crown group consists of 3,413 KOGs and largely includes proteins involved in genome replication and expression, and central metabolism. Only 44% of the KOGs, mostly from the reconstructed gene set of the last common ancestor of the crown group, have detectable homologs in prokaryotes the remainder apparently evolved via duplication with divergence and invention of new genes.

Schlussfolgerungen: The KOG analysis reveals a conserved core of largely essential eukaryotic genes as well as major diversification and innovation associated with evolution of eukaryotic genomes. The results provide quantitative support for major trends of eukaryotic evolution noticed previously at the qualitative level and a basis for detailed reconstruction of evolution of eukaryotic genomes and biology of ancestral forms.

Figuren

Assignment of proteins from each…

Assignment of proteins from each of the seven analyzed eukaryotic genomes to KOGs…

Distribution of the KOGs by…

Distribution of the KOGs by the number of paralogs in each of the…

Functional breakdown of the KOGs.…

Functional breakdown of the KOGs. Designations of functional categories: A, RNA processing and…

Variation of amino-acid substitution rates…

Variation of amino-acid substitution rates among KOGs. (ein) Probability-density function for the distribution…

Parsimonious scenarios of loss and…

Parsimonious scenarios of loss and emergence of genes (KOGs) in eukaryotic evolution. (a)…

Correspondence between eukaryotic and prokaryotic…

Correspondence between eukaryotic and prokaryotic orthologous gene sets. (ein) Representation of prokaryotic counterparts…

Gene dispensability in yeast and…

Gene dispensability in yeast and worm and phyletic patterns of the respective KOGs.…


Abschnittszusammenfassung

In both prokaryotic and eukaryotic cell division, the genomic DNA is replicated and each copy is allocated into a daughter cell. The cytoplasmic contents are also divided evenly to the new cells. However, there are many differences between prokaryotic and eukaryotic cell division. Bacteria have a single, circular DNA chromosome and no nucleus. Therefore, mitosis is not necessary in bacterial cell division. Bacterial cytokinesis is directed by a ring composed of a protein called FtsZ. Ingrowth of membrane and cell-wall material from the periphery of the cells results in a septum that eventually forms the separate cell walls of the daughter cells.


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