ADN cloroplástico

O ADN cloroplástico ou ADNcp (en inglés abréviase como cpDNA ou ctDNA^[1][2]) é o ADN propio que conteñen os cloroplastos.^[3] O seu contido xenético é o plastoma. A súa existencia foi demostrada en 1962,^[4] e foi secuenciado por primeira vez en 1986 por dous equipos de investigadores xaponeses que estudaban o ADN cloroplástico das hepáticas e da planta do tabaco.^[5] Desde entón, secuenciáronse centos de ADNs procedentes de cloroplastos de varias especies, que son principalmente plantas terrestres e algas verdes, mentres que os ADNcp de glaucófitas, algas vermellas, e outros grupos de algas están moi subrepresentados nestas análises, o que potencialmente introduce un certo nesgo na nosa idea do que é a estrutura e contido dun ADNcp "típico".^[6]

Os ADNs cloroplásticos son circulares (pero tamén se atoparon linerares.^[7]), e dunha lonxitude típica de entre 120.000 e 170.000 pares de bases.^[4][8][9] A lonxitude da súa circunferencia pode chegar a 30–60 micrómetros, e teñen unha masa duns 80 a 130 millóns de daltons.^[10]

A maioría dos cloroplastos teñen todo o xenoma do orgánulo nun só anel grande, aínda que os das algas dinófitas son unha notable excepción, pois os seus xenomas están repartidos nuns 40 pequenos plásmidos, cada un entre 2.000 e 10.000 pares de bases.^[6] Cada un destes minicírculos contén dun a tres xenes,^[6][11] pero tamén se atoparon plásmidos sen xenes, é dicir, sen ADN codificante.

Moitos ADNs cloroplásticos conteñen dúas repeticións invertidas, as cales separan unha sección de copia simple longa (LSC) dunha sección de copia simple curta (SSC).^[9]

As repeticións invertidas varían enormemente en lonxitude, e poden oscilar entre os 4.000 e os 25.000 pares de bases cada unha.^[6] As repeticións invertidas nas plantas adoitan estar no extremo superior dese intervalo, e ser de entre 20.000 e 25.000 pares de base cada unha.^[9][12] As rexións repetidas invertidas xeralmente conteñen tres xenes de ARNs ribosómicos e dous de ARNts, pero poden ser expandidas ou reducidas e así conteñen desde só 4 ata 150 xenes.^[6] Aínda que un determinado par de inversións repetidas raramente son completamente idénticas, sempre son moi similares, o que aparentemente é resultado dunha evolución converxente.^[6]

As rexións repetidas invertidas están moi conservadas entre as plantas terrestres, e acumulan poucas mutacións.^[9][12] Hai repeticións invertidas similares nos xenomas de cianobacterias e as outras dúas liñaxes de cloroplastos (os das glaucófitas e rodofíceas), o que suxire que son anteriores aos cloroplastos,^[6] aínda que algúns ADNs de cloroplastos como os dos chícharos e dunhas poucas algas vermellas^[6] perderon as súas repeticións invertidas.^[12][13] Noutros casos, como a alga vermella Porphyra, déuselle a volta a unha das súas inversións repetidas (o que as converte en repeticións directas).^[6] É posible que as inversioóns repetidas axuden a estabilizar o resto do xenoma do cloroplasto, xa que os ADNs cloroplásticos que perderon algúns dos seus segmentos das inversións repetidas tenden a reorganizarse máis.^[13]

A idea tradicional sobre a estrutura dos ADNcp é que son caracteristicamente circulares, pero algunhas probas máis recentes suxiren que poden ser tamén lineares e mesmo que isto pode ser o máis común en moitas especies.^[7] Por exemplo, aproximadamente o 95% do ADN dos cloroplastos do millo son lineares ramificados en vez de círculos individuais.^[6]

Os cloroplastos de nova formación poden conter ata 100 copias do seu ADN,^[4] aínda que o número de copias de ADN do cloroplasto diminúe ata unhas 15–20 a medida que aumenta a idade do cloroplasto.^[14] Xeralmente as copias están empaquetadas en nucleoides que poden conter varios aneis de ADNcp idénticos. En cada cloroplasto poden atoparse moitos nucleoides.^[10]

Aínda que o ADNcp non está asociado con verdadeiras histonas,^[15] nas algas vermellas atopouse unha proteína cloroplástica similar a unha histona (HC) codificada polo ADNcp que empaqueta apertadamente os aneis de ADNcp nun nucleoide.^[16]

En algas vermellas primitivas, os nucleoides de ADN cloroplástico están agrupados no centro do cloroplasto, mentres que nas plantas e algas verdes, os nucleoides están dispersos polo estroma.^[16]

O xenoma do cloroplasto normalmente inclúe uns 100 xenes^[8][11] que codifican produtos con diversas funcións, principalmente relacionadas coa síntese de proteínas e a fotosíntese. Igual que en procariotas, os xenes do ADNcp están organizados en operóns.^[11] Porén, os intróns son comúns nas moléculas de ADNcp, aínda que son raros en ADN de procariotas (o ADN mitocondrial das plantas normalmente ten intróns, pero non o ADN mitocondrial humano).^[17]

Nas plantas terrestres, os contidos do xenoma do cloroplasto son bastante similares^[9] e codifican catro ARN ribosómicos, 30 ou 31 ARNts, 21 proteínas ribosómicas, e catro subunidades de ARN polimerase,^[18][19] implicadas na síntese de proteínas. En relación coa fotosíntese, o ADNcp inclúe xenes para 28 proteínas dos tilacoides e a subunidade grande da Rubisco.^[18] Ademais, o ADNcp codifica once subunidades dun complexo proteico que é mediador de reaccións redox nas que se reciclan electróns,^[20] o cal é similar á NADH deshidroxenase que se encontra na mitocondria.^[18][21]

Co tempo, no proceso da endosimbiose, moitas partes do xenoma do cloroplasto foron transferidas ao xenoma nuclear da célula hóspede,^[4][8][22] un proceso que se denomina transferencia de xenes endosimbiótica. Como resultado, o xenoma do cloroplasto foi fortemente reducido en comparación co dunha cianobacteria de vida libre. Os cloroplastos poden conter de 60 a 100 xenes, mentres que as cianobacterias a miúdo teñen máis de 1500 xenes nos seus xenomas.^[23]

A transferencia de xenes endosimbiótica é tamén como se cre que se produciu a perda dos cloroplastos en moitas liñaxes de cromalveolados. Pero, aínda que se perdan os cloroplastos, os xenes que o cloroplasto cedeu ao núcleo do hóspede persisten, o que é unha proba da anterior exeistencia deses cloroplastos desaparecidos. Por exemplo, mentres que as diatomeas (unhas heterocontófitas) teñen actualmente un cloroplasto derivado de algas vermellas, a presenza de moitos xenes de algas verdes no ADN nuclear das diatomeas é unha proba de que os antepasados das diatomeas (probablemente o antepasado de todos os cromalveolados) tivo nalgún momento un cloroplasto derivado de algas verdes, o cal foi despois substituído por un cloroplasto de algas vermellas.^[24]

Nas plantas terrestres, un 11–14% do ADN dos seus núcleos pode ser identificado como de orixe cloroplástica,^[25] e chega ao 18% en Arabidopsis thaliana, o que supón uns 4.500 xenes codificantes de proteínas.^[26] Houbo tamén algúns casos recentes de transferencias de xenes desde o cloroplasto ao ADN nuclear nas plantas terrestres.^[8]

A transferencia de xenes foi tan grande que das aproximadamente 3.000 proteínas que se atopan nos cloroplastos, un 95% delas están codificadas en xenes nucleares. Moitos dos complexos proteicos dos cloroplastos constan de subunidades procedentes tanto do xenoma cloroplástico coma do xenoma nuclear. Como resultado, a síntese de proteínas debe estar coordinada entre o núcleo e o cloroplasto. O cloroplasto está principalmente baixo o control nuclear, aínda que os cloroplastos poden tamén enviar sinais que regulan a expresión xénica no núcleo, o que se chama sinalización retrógrada.^[27]

A síntese proteica nos cloroplastos depende dunha ARN polimerase codificada no propio xenoma do cloroplasto, que está relacionada coas ARN polimerases que se atopan en bacterias. Os cloroplastos tamén conteñen unha segunda ARN polimerase misteriosa que está codificada polo xenoma nuclear da planta. As dúas ARN polimerases poden recoñecer e unirse a diferentes tipos de promotores do xenoma do cloroplasto.^[28] Os ribosomas do cloroplasto son similares aos ribosomas bacterianos.^[18]

O movemento que se produciu na evolución de moitos xenes cloroplásticos ao núcleo tivo como consecuencia que moitas proteínas que orixinalmente se traducían no cloroplasto agora tradúcense no citoplasma. Isto significa que estas proteínas deben ser dirixidas despois ao cloroplasto, e importadas atravesando as dúas membranas que envolven o cloroplasto (ou máis de dúas en certas endosimbioses).^[29]

Curiousamente, arredor da metade dos produtos proteicos dos xenes transferidos non son nin tan sequera dirixidos aos cloroplastos, xa que moitas se converteron no que se chama exaptacións, e adoptaron novas funcións como participar na división celular, asignación de rutas das proteínas (protein routing), e mesmo resistencia a enfermidades. Uns poucos xenes de cloroplastos establecéronse no xenoma mitocondrial, a maioría convertéronse alí en pseudoxenes non funcionais, aínda que uns poucos xenes de ARNts aínda son funcionais nas mitocondrias.^[23] Algúns produtos proteicos do ADNcp transferido son dirixidos á vía secretora^[23] (aínda que debe terse en conta que moitos plastidios secundarios están rodeados por unha membrana externa derivada da membrana plasmática da célula, e, por tanto, están topoloxicamente fóra da célula, porque para chegar ao cloroplasto desde o citosol, hai que cruzar esta "membrana plasmática", igual que se se viñese desde o espazo extracelular. Neses casos, as proteínas dirixidas ao cloroplasto viaxan inicialmente a través da vía secretora).^[30]

Como as células que adquiriron un cloroplasto xa tiñan mitocondrias (e peroxisomas, e unha membrana plasmática para a secreción), o hóspede deste novo cloroplasto tivo que desenvolver un sistema para marcar o destino ao que se envían as proteínas exclusivo para evitar que as proteínas do cloroplasto fosen enviadas a un orgánulo equivocado, e que se enviasen ao cloroplasto proteínas indebidas.^[29]

Os polipéptidos, precursores das proteínas, son cadeas de aminoácidos. Os dous extremos dun polipéptido denomínanse N-terminal, ou extremo amino, e C-terminal, ou extremo carboxilo.^[31] A moitas das proteínas cloroplásticas (pero non a todas)^[32] codificadas nos xenes nucleares, engádenselles péptidos de tránsito clivables no extremo N-terminal dos polipéptidos, que se utilizan para axudar a dirixir o polipéptido ao cloroplasto para que sexa importado ao seu interior^[29][33] (os péptidos de tránsito N-terminais tamén se utilizan para dirixir polipéptidos ás mitocondrias das plantas).^[34] As secuencias de tránsito N-terminais tamén se chaman presecuencias^[29] porque están localizadas no extremo "dianteiro" do polipéptido (os ribosomas sintetizan os polipéptidos desde o extremo N-terminal ao C-terminal).^[31]

Os péptidos (secuencias) de tránsito cloroplásticos presentan unha grande variación en canto á súa lonxitude e secuencia de aminoácidos.^[33] Poden ter unha lonxitude entre os 20 e os 150 aminoácidos,^[29] o que é infrecuentemente longa, o que indica que os péptidos de tránsito son en realidade a reunión de varios dominios proteicos con diferentes funcións.^[33] Os péptidos de tránsito tenden a estar cargados positivamente,^[29] e son ricos en aminoácidos hidroxilados como a serina, treonina, e prolina, e pobres en aminoácidos ácidos como o ácido aspártico e o ácido glutámico.^[33] En solución acuosa, as secuencias de tránsito forman un enrolamento aleatorio.^[29]

Non todas as proteínas destinadas ao cloroplasto teñen unha secuencia de tránsito clivable N-terminal.^[29] Algunhas presentan a secuencia de tránsito duntro dunha parte funcional da proteína.^[29] Hai tamén unha cantas que teñen as súas secuencias de tránsito unidas ao seu extremo C-terminal.^[35] A maioría dos polipéptidos que carecen de secuencias N-terminais que marcan o seu destino son aquelas que son enviadas á membrana cloroplástica externa, xunto con polo menos unha que se sabe que é enviada á membrana cloroplástica interna.^[29]

Despois de que un polipéptido cloroplástico se sintetiza nun ribosoma citosólico, pode utilizarse ATP para fosforilar (engadir un grupo fosfato) moitos deses polipéptidos (pero non todos) nas súas secuencias de tránsito.^[29] Os aminoácidos que reciben eses grupos fosfato son con frecuencia a serina a a treonina (dous aminoácidos moi comúns nas secuencias de tránsito, que supoñen o 20–30% da secuencia)^[34][36][36] O encima proteína quinase que leva a cabo a fosforilación é específico para os polipéptidos cloroplásticos, e ignora os que van destinados ás mitocondrias ou peroxisomas.^[36]

A fosforilación cambia a forma do polipéptido,^[36] facendo que sexa máis fácil para as proteínas 14-3-3 unirse ao polipéptido.^[29][37] Nas plantas as proteínas 14-3-3 só se unen a preproteínas cloroplásticas.^[34] Tamén se une aos polipéptidos a proteína de choque térmico Hsp70 (unha chaperona), que evita que o polipéptido se pregue prematuramente.^[29] Isto é importante porque impide que as proteínas do cloroplasto adopten a súa forma activa e leven a cabo as súas funcións cloroplásticas no lugar equivocado, o citosol.^[34][37] Ao mesmo tempo, deben manter unha forma o suficientemente recoñecible como para ser importadas ao cloroplasto.^[34]

As proteínas de choque térmico e as proteínas 14-3-3 constitúen xuntas un complexo de guía citosólico que fai máis doada a importación destes polipéptidos ao cloroplasto.^[29]

Alternativamente, se un péptido de tránsito de preproteína cloroplástica non está fosforilado, unha preproteína cloroplástica pode unirse de todos modos a unha proteína de choque térmico ou ao Toc159. Estes complexos poden unirse ao complexo TOC da membrana cloroplástica externa utilizando a enerxía do GTP,^[29] a través do cal atravesan a membrana cloroplástica externa. Despois, as proteínas atravesan a membrana cloroplástica interna a traves do complexo TIC. Os complexos TIC e TOC son translocóns especializados.

O complexo TOC, ou translocón da membrana externa (do inglés translocon on the outer chloroplast membrane), é un conxunto de proteína que importa preproteínas a través da envoltura cloroplástica externa. No complexo TOC identificáronse cinco subunidades proteicas, dúas son as proteínas que se unen ao GTP Toc34 e Toc159, outra é o túnel de importación de proteínas Toc75, e as outras dúas son as proteínas Toc64^[29] e Toc12.^[32]

O translocón TIC, ou translocon on the inner chloroplast membrane^[29] é outro complexo proteico que importa proteínas a través da envoltura cloroplástica interna. As cadeas de polipéptidos cloroplásticos probablemente adoitan viaxar a través dos dous complexos á vez, pero os complexos TIC poden tamén recuperar preproteínas perdidas no espazo intermembrana do cloroplasto.^[29]

Igual que o translocón TOC, o translocón TIC ten un grande complexo proteico central rodeado dalgunhas proteínas periféricas feblemente asociadas a el como Tic110, Tic40, e Tic21.^[38] O complexo central pesa aproximadamente un millón de daltons e contén as proteínas Tic214, Tic100, Tic56, e Tic20 I, posiblemente tres unidades de cada unha.^[38]

• ADN mitocondrial
• Nucleoide