A plasztisz-DNS (ptDNS), más néven – fotoszintetikus élőlényekben – kloroplasztisz-DNS (cpDNS vagy ctDNS) a plasztiszok, így a kloroplasztisz és egyes redukált plasztiszok, például az apikoplasztisz DNS-e. A kloroplasztiszok több más plasztisztípushoz hasonlóan a sejtmagtól elkülönülő genomot tartalmaznak. A ptDNS létét biokémiailag 1959-ben igazolták, elektronmikroszkóppal 1962-ben azonosították. Az, hogy a plasztisz riboszómákat tartalmaz, és fehérje-bioszintézist végez, azt jelenti, hogy a plasztisz genetikailag félautonóm. Az első teljes szekvenált plasztiszgenomokat 1986-ban közölték – ezek a Nicotiana tabacum Sugiura , illetve a Marchantia polymorpha Ozeki által közzétett ptDNS-e. Azóta több tízezer plasztiszgenomot szekvenáltak sok fajból.
Szerkezet bélyegkép|400px|Az Arabidopsis thaliana 154 kbp hosszú ptDNS-e génekkel és fordított ismétlődésű szakaszokkal.
A plasztisz-DNS-ek általában körkörösek, és 120–170 kbp hosszúak. Kerületük 30–60 μm, tömegük 80–130 MDa közt változhat.
A legtöbb plasztisz genomja 1 nagy gyűrűben van, de a Dinophyceae fontos kivétel, mert ptDNS-e mintegy 40 kis (2–10 kbp) plazmidból áll. Ezek általában 1–3 génesek, de ismertek kódoló DNS nélküli üres plazmidok is.
A ptDNS-t sokáig körkörösnek tartották, de egyes bizonyítékok szerint gyakran lineáris. A kukoricaplasztiszok DNS-ének több mint 95%-a elágazó lineáris formában található, nem körökben. Fordított ismétlődések Sok ptDNS tartalmaz két fordítva ismétlődő szakaszt, melyek a hosszú és rövid egypéldányos szakaszokat (LSC, SSC) elválasztják.
A fordított ismétlődések hossza változó – 4–25 kbp. A növények e szakaszai általában hosszabbak (20–25 kbp). E szakaszok általában 3 rRNS- és 2 tRNS-gént tartalmaznak, de 4 génessé redukálódhatnak vagy akár több mint 150 génessé bővülhetnek. Bár a fordított ismétlődések párjai ritkán azonosak, feltehetően a párhuzamos evolúció miatt mindig hasonlók.
E fordított ismétlődésű szakaszok erősen állandósultak az embriós növények közt, és kevés mutációjuk van. Hasonló szekvenciák vannak a cianobaktériumok és az Archaeplastida két másik kládja (Glaucophyta, Rhodophyceae) esetén is, igazolva plasztisz előtti megjelenésüket, bár egyes ptDNS-ek, például a borsóéi és néhány vörösmoszatéi, elvesztették a fordított ismétlődést. Mások, például a Porphyra fordított ismétlődései egyike megfordult, közvetlen ismétlődést adva. Feltehetően a fordított ismétlődésű szakaszok stabilizálják a ptDNS többi részét, mivel a fordított ismétlődésű szakaszok egy részét elvesztett ptDNS-ek jobban átrendeződhetnek. Maganyag A fiatal levelek plasztisza DNS-ét példányban tartalmazza, ez 15–20 példányra csökken idősebb levelekben. Ezek általában maganyagokba rendeződnek, melyek számos azonos ptDNS-gyűrűt tartalmazhatnak, és minden plasztisz több maganyagot tartalmazhat.
Bár a ptDNS-hez nem kötődnek valódi hisztonok, a vörösmoszatokban hisztonszerű plasztiszfehérje (HC) ismert, melyet a ptDNS kódol, és a ptDNS gyűrűit maganyagba tömöríti.
A bazálisabb helyzetű vörösmoszatok ptDNS-ének maganyaga a plasztisz közepén van, míg a Viridiplantae plasztiszai maganyagai a stromában szétszórtan helyezkednek el.
Gének és plasztiszgén-expresszió Több mint plasztiszgenomot szekvenáltak, ezek elérhetők az NCBI sejtszervecskegenom-adatbázisából. Az első plasztomokat 1986-ban szekvenálták a Nicotiana tabacumból és a Marchantia polymorphából. A Synechocystis génszekvenciájának összehasonlítása az Arabidopsis-plasztommal igazolta a plasztisz endoszimbionta eredetét. Ez igazolta a horizontális géntranszfer nagy kiterjedését a cianobaktériumból a magi genomba.
A legtöbb növényfajban a ptDNS gént kódol. A gének elsősorban a fotoszintetikus rendszer alapvető részeit és az azok expressziójában és az összeállításában résztvevő tényezőket kódolják. Az embriósnövény-fajokban közel azonosak a ptDNS által kódolt gének. Ide tartozik a 4 rRNS, mintegy 30 tRNS, 21 riboszomális fehérje és a plasztiszkódolt RNS-polimeráz 4 alegysége, melyek a plasztiszgén-expressziót lehetővé teszik. A nagy RuBisCO-alegységet és a 28 fotoszintetikus tilakoidfehérjét is a ptDNS kódolja. Plasztomredukció és géntranszfer Idővel a ptDNS nagy része gazdája magi genomjába került át endoszimbionta géntranszferrel. Ennek eredményeként a plasztiszgenom a szabadon élő cianobaktériumokéhoz képest erősen redukálódott: a plasztiszok 60–100 génesek, szemben a cianobaktériumok gyakran több mint 1500 génjével. A parazita Pilostyles el is vesztette plasztisza tRNS-génjeit. Ezzel szemben csak kevésszer kerültek különböző donorokból, például baktériumokból a plasztiszba gének.
Az endoszimbionta géntranszfer alapján ismertek számos Diaphoretickes-faj plasztiszvesztései. Még ha a plasztisz el is vész, a korábbi gazda magi génjei fennmaradnak, bizonyítva a plasztiszvesztést. Bár a kovamoszatok mai plasztiszai vörösmoszat-eredetűek, a számos zöldmoszat-eredetű gén igazolja, hogy egy korábbi ős zöldmoszat-eredetű plasztisszal rendelkezett, melyet a vörösmoszat-eredetű váltott fel.
Az embriós növények magi DNS-ének általában 11–14%-a, az Arabidopsisénak akár 18%-a – akár 4500 fehérjekódoló gén – plasztiszeredetű. Több recens géntranszfer is ismert a ptDNS-ből a magi génbe embriós növényekben.
Plasztisz által kódolt fehérjék A plasztiszokban ismert mintegy 3000 fehérje 95%-át magi gének kódolják. A plasztisz sok fehérjekomplexe áll azonban plasztisz- és magi genomból egyaránt származó tagokkal. Ennek eredményeként a fehérjeszintézis a plasztisz és a mag közt koordinálandó. A plasztisz nagyrészt magi irányítás alatt áll, de a plasztiszok is bocsáthatnak ki a magban történő génexpessziót szabályzó jeleket (retrográd jelzés).
Fehérjeszintézis A plasztiszok fehérjeszintézise a plasztiszgenomban kódolt, a baktériumokéval rokon RNS-polimerázon alapul. Ezenkívül egy második RNS-polimeráz is van itt, melyet a magi genom kódol. A két RNS-polimeráz különböző promotertípusokat ismerhet fel és köthet hozzájuk a ptDNS-ben. A plasztiszriboszómák a baktériumokéihoz hasonlók.
A ptDNS hossza Az algák és az embriós növények ptDNS-ei eltérő tartományban találhatók: utóbbiakéi jellemzően 120–160 kbp hosszúak, előbbiekéi hossza viszont sokkal szélesebb tartományban található: például a Phacus inflexus ptDNS-e , míg a Corynoplastis japonica ptDNS-e . RNS-szerkesztés a plasztiszban Az RNS-szerkesztés nukleotidok transzláció előtt az mRNS-ből történő eltávolítása, abba történő hozzáadása és abban történő cseréje. A plasztiszok erősen oxidatív környezete növeli a mutációs sebességet, így a funkcionális szekvenciák megőrzéséhez poszttranszlációs javítások szükségesek. A plasztiszeditoszóma az mRNS-ben meghatározott helyeken végez C→U és U→C szubsztitúciókat. Ez megváltoztathatja egy aminosav kodonját, vagy egy pszeudogén működését állíthatja helyre AUG startkodon hozzáadásával vagy idő előtti UAA stopkodon eltávolításával.
Az editoszóma felismeri a szerkesztés helye előtti cisz-szekvenciát, és hozzá köt. A kötőhely és a szerkesztés helye közti távolság az editoszómában résztvevő fehérjéktől és a géntől függ. Több száz különböző magi genomban kódolt PPR fehérje érintett az RNS-szerkesztésben, ezek 35 aminosavból álló ismétlődő sorozatot tartalmaznak, melyek szekvenciája meghatározza a szerkesztett RNS cisz-kötőhelyét.
A bazális embriós növények, például a mohák és a páfrányok több száz, a zárvatermők általában 30–40 szerkesztési hellyel rendelkeznek. A parazita növények, például az Epifagus virginiana elvesztették az RNS-szerkesztést, így a fotoszintézis génjeit is.
DNS-replikációs modellek A ptDNS-replikáció legelfogadottabb modellje bélyegkép|upright=2.0|Plasztisz-DNS-replikáció több D-körös mechanizmussal. Forrás: Krisnan és Rao A comparative approach to elucidate chloroplast genome replication című cikke. A ptDNS-replikáció mechanizmusa nem teljesen ismert, de 2 fő modellt javasoltak. A kutatók az 1970-es évek óta kíséreltek meg elektronmikroszkóppal plasztiszreplikációt megfigyelni. A mikroszkópos kísérletek eredménye alapján a ptDNS kettős eltolásos körrel (D-kör) való másolását feltételezték. Ahogy a D-kör a körkörös DNS-en végighalad, théta-köztesállapotot (Cairns-köztitermék) hoz létre, és gördülőkörös mechanizmussal ér véget a replikáció. A replikáció meghatározott origókban kezdődik. Több replikációs villa alakul ki, lehetővé téve a DNS-replikációt. A másolás során a villák nőnek, majd összeérnek. Az új ptDNS-szerkezetek elválnak, utód-ptDNS-kromoszómákat létrehozva.
A korai mikroszkópos eredmények mellett ezt támasztja alá a ptDNS-ben történő dezamináció mennyisége is. E folyamat során 1 aminocsoport elvész, gyakran mutációt okozva. Az adenin dezaminációja hipoxantint (I, a képen H) hoz létre. Ez a citozinhoz köt, a keletkező bázispár replikációja GC párt (A→G bázisváltozás) okoz. bélyegkép|400px|A DNS-szekvencia bázisváltozásai dezaminációs mutációk eredményei lehetnek. Az adenin dezaminációja a citozinnal párosodó hipoxantint eredményez, ez replikációjakor a guaninnal párosodik, A→G bázisváltozást okozva. A ptDNS-ben több A→G dezaminációs gradiens történik. Az egyszálú DNS az ily eseményeknek nem áll ellen. A replikációs villák keletkezésekor a másolatlan szál egyszálú, így az A→G dezamináció kockázata áll fenn esetében. Így a dezaminációs gradiensek alapján a replikációs villák valószínű helye és megnyílási iránya is nagy valószínűséggel meghatározható (a legmagasabb gradiens gyakran a kezdőhelyhez legközelebb van, mert az volt a legtovább egyszálú). E mechanizmus továbbra is a legelfogadottabb modell, de egy másik modell szerint a legtöbb ptDNS valójában lineáris, és homológ rekombinációval sokszorozódik. Ezenkívül csak az örökítőanyag kis része van körkörös kromoszómákban, míg a többi rész elágazó, lineáris vagy más komplex szerkezetekben található.
Alternatív ptDNS-replikációs modell A ptDNS-replikáció egy másik modellje szerint a legtöbb ptDNS lineáris, és homológ replikációban és a T4 fághoz hasonló replikációs szerkezetekben vesz részt. Ismert, hogy egyes növények ptDNS-e lineáris, és hogy további növények nem teljesen ismert hátterű összetett szerkezetekkel rendelkeznek, de az elsődleges nézet az, hogy a legtöbb ptDNS körkörös. A ptDNS-en végzett első kísérletek során találtak lineáris szerkezeteket, de őket megtört körökkel indokolták. Ha a ptDNS-kísérletekben látott elágazó összetett szerkezetek valósak, és nem körkörös DNS-ek összefűzéséből vagy megtört körökből származnak, a D-kör-alapú replikáció nem elég e szerkezetek replikációjának magyarázatára. Azonban a homológ rekombináció nem magyarázza a plasztomok több A→G gradiensét. Ez a lineárisszerkezet-elmélet egyik legnagyobb hátránya.
Fehérjecélzás és -import A sok plasztiszgén magba kerülése azt jelenti, hogy sok, korábban a plasztiszban létrehozott fehérje a citoplazmában keletkezik, ezért vissza kell irányítani azokat a plasztiszba legalább 2 plasztiszmembránon át.
A plasztiszból átkerült gének fehérjéinek mintegy fele nem is kerül vissza a plasztiszra. Sok exaptációval új funkciót vett fel például az osztódásban, a fehérjeirányításban és a betegségeknek való ellenállásban (immunitás). Néhány plasztiszgén a mitokondriális DNS-be került át – a legtöbb nem működő pszeudogén lett, de egyes tRNS-gének továbbra is fennmaradhattak a mitokondriumban. Egyes átkerült ptDNS-fehérjetermékek a szekréciós úthoz kerülnek (bár több szekunder plasztiszt az elsődleges gazdáéból származó külső membrán határol, így topológiailag sejten kívüli, mivel a plasztisz sejtplazmából való eléréséhez át kell haladni egy sejtmembránon, hasonlóan a sejtközi térbe való mozgáshoz. Ez esetekben a plasztiszhoz kerülő fehérjék a szekréciós út mentén haladnak).
Mivel a plasztiszt szerzett sejt már rendelkezett mitokondriumokkal, peroxiszómákkal és a szekrécióhoz használt sejtmembránnal, az új plasztiszgazdának egyedi fehérjecélzási rendszert kellett fejlesztenie a nem megfelelő helyre kerülő plasztiszfehérjék elkerüléséhez.
Citoplazmatikus transzláció és N-terminális tranzitszekvenciák