1 Web de la American Association of Plant Biologydirección web del DEPARTAMENTO DE BIOQUIMICA VEGETAL Y BIOLOGIA MOLECULAR Web de la American Association of Plant Biology Base de datos de Arabidopsis
2 EL CLOROPLASTO Introducción Tipos de plastidios DiferenciaciónDivisión Elgenoma cloroplastídico Estructura genes
3 LA CÉLULA VEGETAL
4 LA PARED CELULAR, LA MEMBRANA PLASMÁTICAY LOS PLASMODESMOS
5 RETICULO ENDOPLÁSMICO
6 NUCLEO Y NUCLEOLO
7 PEROXISOMA
8 Actividad carboxilasaribulosa-1,5-bi-P CO P-glicerato Actividad oxigenasa ribulosa-1,5-bi-P + O2 3-P-glicerato P-glicolato FOTORRESPIRACIÓN
9 EL CLOROPLASTO Introducción Tipos de plastidios DiferenciaciónDivisión Elgenoma cloroplastídico Estructura genes
10
11 PROPLASTIDIO
12 PROPLASTIDIO
13 amiloplasto cromoplasto
14 EL CLOROPLASTO Introducción Tipos de plastidios DiferenciaciónDivisión Elgenoma cloroplastídico Expresión génica Regulación
15 DIFERENCIACIÓN DE PLASTIDIOS
16 etioplasto cloroplasto maduro desarrollo de granas LUZPR: prolamellar body (75% lípidos) tilacoides protoclorofilida clorofila cloroplasto maduro desarrollo de granas
17 ORIGEN ENDOSIMBIONTE DEL CLOROPLASTO
18
19
20 1 de cada gametos
21 algas rojas Glaucocystophytes (Cyanophora) algas verdes plantas Otros grupos de algas: Chlorarachnion (con nucleomorfo) Euglena Guillardia (con nucleomorfo) Emiliania Laminaria
22
23
24 EL CLOROPLASTO Introducción Tipos de plastidios DiferenciaciónDivisión Elgenoma cloroplastídico Expresión génica Regulación
25 División de plastidios (etioplastos)
26 Figure 1. Dividing and Mature Plastids in Arabidopsis.(A) Dividing proplastid from a cell in the shoot apical meristem. (B) to (D) Division conformations of epidermal cell chloroplasts stained with silver nitrate from young expanding cotyledons. (E) Typical chloroplast in early division, from an expanding leaf mesophyll cell. (F) Confocal topographic view of dumbbell-shaped plastids in the base of petals in the Arabidopsis arc5 mutant. (G) A mature Arabidopsis mesophyll cell showing part of the monolayer of chloroplasts over the internal cell surface with a large hole in the monolayer representing where the cell was previously attached to a neighboring cell. (H) An electron micrograph of arc5 petal chloroplasts showing an electron-dense plastid dividing ring at the narrow isthmus of a chloroplast in division (photograph courtesy of K. Hagley).
27
28 DRP: dynamn related proteins
29
30 RNAi FtsZ1 RNAi FtsZ2 wt RNAi MinD RNAi ARC5 FtsZ1 FtsZ2 ARC6 ARC5
31
32 Figure 4. Phenotypes of Transgenic Plants Expressing Antisense Constructs of AtFtsZ1-1 or AtFtsZ2-1.Tissue from the first leaves of 23-day-old plants was prepared for visualization of individual mesophyll cells by using Nomarski interference contrast optics, as described by Pyke and Leech (A) and (B) Cells from transgenic plants expressing the AtFtsZ1-1 antisense gene. (C) and (D) Cells from transgenic plants expressing the AtFtsZ2-1 antisense gene. (E) and (F) Cells from wild-type Arabidopsis.
33 EL CLOROPLASTO Introducción Tipos de plastidios DiferenciaciónDivisión Elgenoma cloroplastídico Estructura genes
34
35
36
37
38
39
40 La replicación del DNA cloroplastídico no está acoplada a la replicación del genoma nuclear
41
42 EL CLOROPLASTO Fotosíntesis - Introducción - El aparato fotosintético- State transition
43
44 El aparato fotosintético
45 PSII PSI
46
47 Interconexión entre granas y lumen tilacoidal
48 State transition
49 EL CLOROPLASTO Biotecnología - Transformación - Obtención de mutantes
50
51
52
53
54
55 The elimination of marker genes using the CRE-lox site specific recombination system in plastids. In this example, the transplastome contains the marker gene aadA flanked by lox sites (arrowheads). The gene of interest (goi) that was introduced by selection for the marker gene is shown in blue. Introduction of cre (a) by Agrobacterium transformation or (b) by crossing results in expression of the CRE site-specific recombinase from the nuclear cre gene. The CRE is plastid targeted, and will simultaneously excise the marker gene from all the plastid genome copies. In the experiment described in [16], the gene to keep (i.e. the goi) was aadA and the gene to remove was codA, a negative selectable marker. In [30], the gene to be eliminated was aadA and the gene to keep was gfp (encoding GFP). Presence of cre and the linked kanamycin-resistance (neo) gene in the nuclear genome are indicated by c and n, respectively; their absence by a ‘+’. T0 refers to transgenic plants regenerated from tissue culture; T1 and T2 are the first and second generation progeny of T0 produced by self pollination.
56 Table 1 Foreign genes successfully expressed to date from higher plant plastid genomesGene(s) Gene product and gene source Function aadA Aminoglycoside 3''-adenylyltransferase from E. coli Positive selectable marker (spectinomycin and streptomycin resistance) nptII Neomycin phosphotransferase from Tn 5 Positive selectable marker (kanamycin) resistance uidA Glucuronidase (GUS) from E. coli Reporter of gene expression gfp Green fluorescent protein (GFP) from Aequorea victoria (Vital) reporter of gene expression cry1A Crystal toxin from Bacillus thuringiensis Insecticidal protein (protoxin cry2A Crystal toxin from Bacillus thuringiensis Insecticidal protein (protoxin cry2Aa2 operon Crystal toxin, ORF1 and ORF2 (putative chaperonin) Insecticidal protein (protoxin) proteins from Bacillus thuringiensis codA Cytosine deaminase from E. coli Negative selectable marker (5-fluorocytosine sensitivity) EPSPS 5-Enol-pyruvyl shikimate-3-phosphate synthase from Herbicide tolerance (glyphosate) Petunia hybrida or from eubacterial species bar Phosphinothricin acetyltransferase from Streptomyces Herbicide resistance (glufosinate) hygroscopicus hST Human somatotropin Therapeutic protein (human growth hormone)
57
58 EL CLOROPLASTO Expresión genica Regulación transcripcionalRegulación post-transcripcional Transformación
59
60
61
62 Genes no fotosintéticosNEP (nuclear encoded RNA polymerase) RpoZ PEP (plastid encoded RNA polymerase) rpoA, rpoB, rpoC1, rpoC2 plastídicas nucleares Genes fotosintéticos Genes no fotosintéticos
63 NEP promotor NEP PEP PEP promotores rpoB rpoC1 rpoC2 núcleocloroplasto
64
65 Genes plastídicos pueden tener múltiples promotoresatpB-atpE codifican dos subunidades de la ATP sintasa Elevada regulación transcripcional de los promotores plastídicos: - distintos promotores activos - regulación de la intensidad de un promotor Fuerte regulación transcripcional por factores ambientales (luz)
66 EL CLOROPLASTO Expresión genica Regulación transcripcionalRegulación post-transcripcional - splicing - traducción
67
68 Estructura típica de un mRNA maduro del cloroplasto
69 Procesamiento de los rRNAs plastídicos
70
71 Trans-splicing psaA de Chlamydomonas E1 E2 cromosoma cloroplasto E3 E1
72 EL CLOROPLASTO Expresión genica Regulación transcripcionalRegulación post-transcripcional - splicing - traducción
73
74 - El DNA del cloroplasto codifica ~ 50-100 proteínas, además de rRNAs y tRNAs- La mayoría de las proteínas participan en la fotosíntesis o en transcripción y traducción - Muchas de las proteínas codificadas en el cloroplasto funcionan en complejos oligoméricos que contienen subunidades que provienen tanto del genoma nuclear como del cloroplasto, como es el caso de la Rubisco
75 Rubisco
76 Diferencias entre la traducción citosólica y plastídicabacterias citoplasma
77 Inicio de traducción en Euglena gracilis
78 Translocación co-traduccionalPolisomas libres: producen proteínas en el estroma, que son dirigidas a sus destinos Polisomas asociados a membrana: producen proteínas que son insertadas directamente en la membrana (proteínas del aparato fotosintético en las membranas tilacoidales)
79 Subunidad grande de la Rubisco
80 Ensamblaje de la Rubisco
81 Regulación del ensamblaje de la Rubisco
82 La luz como regulador principal del desarrollo del cloroplasto
83 Band-shift assay (retardo en gel)
84 La luz como regulador traduccionalpsbA (D1 protein) cPDI: chloroplast protein disulfide isomerase cPABP: chloroplast polyadenylate-binding protein
85
86 Regulación de la síntesis de proteínas por la disponibilidad de cofactores
87 Modelo para la inserción co-traduccional de cofactores en la proteína D1
88
89 Regulación de la síntesisy ensamblaje del PSII
90 EL CLOROPLASTO Transporte de proteínas Método de ensayoPeptido de transito Maquinaria Envuelta externa Sistema tilacoidal Ensamble de complejos
91
92
93
94
95
96
97 thight binding: < 50 µMtranslocation: > 0.1 mM
98
99
100
101
102
103 Péptido de tránstito aa
104
105 TOC159, TOC34: GTP-binding proteinsTOC75: translocation channel TIC55: Rieske-type Fe-S centre
106
107
108
109
110
111
112
113
114 AtToc159, -132 y -120 interaccionan con el cloroplasto y con TOC34
115
116
117
118
119 wt ppi1 5 dias etioplasto 5 dias cloroplasto 4 semanas
120
121
122
123
124 Inserción de proteínas en la membrana tilacoidalSRP (signal recognition particle)
125
126 TOC75 TIC22 TIC20
127
128
129 Bibliografía - Biochemistry and Molecular Biology of Plants (2000) Eds. Buchanan, Gruissem, Jones. American Society of Plant Physiologists - Zerges W. Does complexity constrain organelle evolution? Trends Plant Sci Apr;7(4): - Bock and Khan. Taming plastids for a green future. Trends Biotechnol Jun;22(6):311-8. - Maliga P. Engineering the plastid genome of higher plants. Curr Opin Plant Biol Apr;5(2): - Bruce BD. Chloroplast transit peptides: structure, function and evolution. Trends Cell Biol. 2000 Oct;10(10):440-7. - Soll and Schleiff. Protein import into chloroplasts. Nat Rev Mol Cell Biol Mar;5(3): - Jarvis and Robinson. Mechanisms of protein import and routing in chloroplasts. Curr Biol. 2004 Dec 29;14(24):R - May and Soll. Chloroplast precursor protein translocon. FEBS Lett Jun 4;452(1-2):52-6. - Zerges W. Translation in chloroplasts. Biochimie Jun-Jul;82(6-7): - Rodermel S. Pathways of plastid-to-nucleus signaling. Trends Plant Sci Oct;6(10):471-8. - Maliga P. Plastid transformation in higher plants. Annu Rev Plant Biol. 2004;55: - Osteryoung and Nunnari. The division of endosymbiotic organelles. Science Dec 5;302(5651): - Osteryoung and Pyke. Plastid division: evidence for a prokaryotically derived mechanism. Curr Opin Plant Biol Dec;1(6):475-9. - Timmis JN et al. Endosymbiotic gene transfer: organelle genomes forge eukaryotic chromosomes. Nat Rev Genet Feb;5(2): - Archibald and Keeling. Recycled plastids: a 'green movement' in eukaryotic evolution. Trends Genet Nov;18(11):