náhled|upright=1.7|Schéma chloroplastu, pod číslem 11 je chloroplastová DNA 1. vnější membrána 2. mezimembránový prostor 3. vnitřní membrána 4. stroma (vodný roztok) 5. lumen (dutina) thylakoidu 6. membrána thylakoidu 7. granum (mincovitý shluk thylakoidů) 8. lamela, stromální thylakoid 9. škrob 10. ribozom 11. plastidová DNA 12. tukové kapénky
Plastidová DNA (pDNA, také plastom) je DNA, která se nalézá v plastidech. Plastidy jsou organely vyskytující se v některých eukaryotických buňkách, kde vykonávají různé specializované funkce. Protože plastidy mají vlastní nezávislou genetickou informaci obsaženou právě v plastidové DNA, označují se odborně jako semiautonomní organely buněk. Plastidová DNA je podobně jako mitochondriální DNA nositelkou mimojaderné dědičnosti. Existence plastidové DNA byla dokázána v roce 1962 Hansem Risem a Walterem Plautem, i když se předpokládala již dříve.
Příkladem plastidů typických v rostlinných buňkách jsou chloroplasty, v nichž se odehrává fotosyntéza, která rostlině zajišťuje přeměnu světelné energie na chemickou. Plastidová DNA obsažená v chloroplastech se označuje jako chloroplastová DNA (cpDNA či ctDNA). Předpokládá se, že chloroplasty v rostlinách jsou původním a nejstarším druhem plastidů. Jejich DNA je odvozena od sinicového předka chloroplastů, který byl před stamilióny let v procesu evoluce eukaryotické buňky touto buňkou pohlcen. Navíc například u krásnooček či skrytěnek existují plastidy vzniklé druhotným pohlcením eukaryotické buňky, která již obsahovala chloroplast, ale i tyto sekundární plastidy rovněž obsahují genom sinice. Výjimkou je však útvar zvaný nukleomorf, tedy zbytkový genom buňkou pohlceného eukaryota.
Chloroplastová DNA se při pohlavním rozmnožování přenáší buď ze samičích pohlavních buněk, nebo ze samčích, ale někdy i od obou pohlaví. V buňce bývá přítomno více kopií plastidové DNA, a ta je obvykle kruhová, tedy ve tvaru uzavřené smyčky. Velikost pDNA, měřená jako počet nukleových bází, je velice rozmanitá, přičemž redukované plastidové genomy se nacházejí zejména u druhů, jejichž plastidy ztratily fotosyntetickou funkci (např. parazitická řasa Helicosporidium či výtrusovci).
Úvodem + Srovnání rozměrů u řasy rodu Chlamydomonas 90px buňka: průměr 10 mikrometrů;obvykle obsahuje jeden chloroplast 90px chloroplast: průměr několik mikrometrů;obsahuje až 80 molekul chloroplastové DNA 90px plastidová DNA: řetězec 203 395 párů bází má délku asi 0,07 milimetru (výpočet dle The Physics Factbook) Plastidy jsou speciální organely, které jsou přítomné v některých eukaryotických buňkách, tedy v buňkách se složitější strukturou a jistou vnitřní hierarchií. Konkrétně se plastidy vyskytují u rostlin (Plantae), dále například u obrněnek (Dinophyta), skrytěnek (Cryptophyta), hnědých řas (Phaeophyceae) či krásnooček (Euglenophyta). Původní funkcí plastidů je fotosyntéza, ačkoliv u některých organizmů jsou známy i plastidy neschopné fotosyntetizovat. Plastidy jsou od zbytku buňky odděleny několika membránami a tvoří tak samostatný „kompartment“. To, že navíc obsahují vlastní genom – tedy plastidovou DNA – naznačuje, že plastidy jsou do určité míry nezávislou jednotkou (označujeme je jako semiautonomní organely). DNA, čili deoxyribonukleová kyselina, je totiž přítomna ve všech buněčných organizmech, kde slouží jako genetický materiál, v němž jsou zapsány ve formě genetického kódu návody na výrobu všech bílkovin v buňce. Skutečnost, že i plastidy mají vlastní genom, ačkoliv nejsou samostatné organizmy, je tedy zdánlivě paradoxní. Mnohé studie však prokázaly, že plastid je zřejmě potomkem sinic, které se kdysi dostaly do eukaryotické buňky a zdomácněly v ní, a že genom plastidů má s genomem sinic mnoho společných rysů.
Výzkum a jeho historie náhled|vlevo|V řase Chlamydomonas byla poprvé dokázána přítomnost plastidové DNA(zvětšení: 10 000×, rastrovací elektronový mikroskop) Úvahy o existenci mimojaderné dědičnosti v plastidech se objevovaly již v padesátých letech 20. století, ale pokusy o izolaci DNA byly neúspěšné. Úspěšně byla vlákna plastidové DNA dokázána až v roce 1962 Hansem Risem a Walterem Plautem z University of Wisconsin v jejich studii Ultrastructure of DNA-containing areas in the chloroplast of Chlamydomonas, a to v chloroplastech jednobuněčné řasy rodu Chlamydomonas. V této studii již byla zmíněna hypotéza, že chloroplasty mohou být potomky prokaryotických endosymbiontů. O rok později následovaly v rychlém sledu zprávy o izolaci plastidové DNA z nejrůznějších rostlin. Dalším úspěchem vědy byla sekvenace kompletního chloroplastového genomu. Poprvé se tak stalo u porostnice mnohotvárné (Marchantia polymorpha) Dodnes pak bylo osekvenováno více než 150 plastomů (genomů v plastidech).
Chloroplastová DNA má některé vlastnosti, které usnadňují její využití k různým molekulárně biologickým studiím. Tento genom je totiž poměrně malý, přítomný v mnoha kopiích a poměrně dobře prostudovaný. Navíc poměrně pomalu mutuje a má mnoho zvláštností, které činí jeho výzkum zajímavý například pro evoluční či molekulární biology.
Sekvenace DNA z plastidů dnes pomáhá vědcům odhalovat například evoluci eukaryotických organizmů, zejména těch s plastidem. Na základě těchto sekvencí se například zjišťuje, kolik sekundárních endosymbióz proběhlo v evolučním stromu eukaryot, jak probíhá genový transfer z organely do jádra či jaké jsou vývojové vztahy mezi různými skupinami eukaryot. Mnohé studie využívají drobných rozdílů mezi pDNA jednotlivých druhů téhož rodu za účelem zjištění přesných příbuzenských vztahů mezi těmito druhy. Rovněž se s ním pracuje při zjišťování migrací jednotlivých druhů rostlin, například údaje o rekolonizaci Evropy dubem (Quercus) po skončení doby ledové pramení právě zejména z výzkumu jejich cpDNA. Srovnáváním sekvencí plastidové DNA evropských dubů je možné zjistit, jaké populace jsou vzájemně příbuzné a pochází tedy pravděpodobně z jednoho místa.
Popis S výjimkou nukleomorfu, který je odlišného původu než běžná plastidová DNA, má řetězec pDNA zřejmě tvar uzavřené smyčky a označuje se tedy tradičně jako kruhový, podobně jako u většiny prokaryotických organizmů. Některé současnější studie však podtrhují skutečnost, že plastidová DNA je o poznání komplikovanější struktura, která svoji stavbu mění v čase a cirkulární typ se objevuje spíše vzácněji. U kukuřice byly dokonce pozorovány lineární, složitě větvené chromozomy a zastoupení kruhových molekul činilo pouze 3–4 %. Jisté je však to, že pDNA má u různých druhů rozmanitou velikost a různý je i počet genů, které kóduje.
Množství plastidové DNA přítomné v buňce samozřejmě v první řadě závisí na počtu plastidů v buňce, ale dále pak také na počtu samotných molekul DNA v jednom plastidu a za třetí na velikosti plastidové DNA. Řasa Chlamydomonas má jen jeden chloroplast, avšak ten obsahuje až 80 molekul DNA. Listy kukuřice obsahují v každé buňce 20–40 chloroplastů, každý chloroplast obsahuje ale 20–40 molekul DNA. U kukuřice tvoří plastidová DNA 15 % celkového genomu v buňce, u řasy Chlamydomonas jen 7 %.
Velikost Velikost plastidového genomu je však velice rozmanitá. Zatímco u zelené řasy Stigeoclonium helveticum dosahuje 223 902 párů bází a představuje největší dosud známý plastidový genom, u některých organizmů, které druhotně ztratily schopnost fotosyntézy, mají plastidové genomy mnohem menší velikost. Velmi malé plastomy (asi okolo 35–40 tisíc párů bází) mají například zelené řasy rodu Helicosporidium nebo výtrusovci (Apicomplexa) druhů Eimeria tenella či Plasmodium falciparum. U vyšších rostlin má nejmenší genom rovněž parazitická rostlina, která se jmenuje Epifagus virginiana, a to něco málo přes 70 000 párů bází.
Struktura a geny náhled|Obecné schéma chloroplastové DNA: SSC (small single copy), dva regiony inverted repeats a LSC (large single copy) Kruhový plastidový genom (zejména u rostlin) má poměrně stabilní strukturu, u níž se dají vysledovat některé zákonitosti. Například chloroplastová DNA tabáku (Nicotiana) a játrovky (Marchantiophyta) je téměř stejná. Obvykle se na ní rozlišují dvě oblasti, jejichž sekvence jsou obsažené v cpDNa vždy jen jednou –tzv. large single copy (LSC) a small single copy (SSC). Mezi nimi se nachází dvě oblasti, které obsahují tutéž sekvenci, ale s obráceným pořadím komplementárních bází. Tato část se označuje jako inverted repeat (IR), vyskytuje se u téměř všech rostlin a kóduje například geny pro ribozomální RNA. I když jsou geny kódované v IR u různých druhů odlišné, v rámci jedné kruhové molekuly jsou vždy obě sekvence zmíněného regionu až na směr zcela shodné a není znám mechanismus, který to způsobuje. Tento region zřejmě stabilizuje DNA před výraznějšími strukturními změnami. Inverted repeat přesto zcela chybí u zástupců čeledi bobovitých (Fabaceae) a u některých jehličnanů (borovice, douglaska). Je zřejmé, že plastidová DNA v různých liniích fotosyntetizujících organizmů prochází značnými strukturními změnami a někdy se značně odlišuje od zmiňovaného modelu. U některých obrněnek (Dinoflagellata) je například plastom zřejmě rozdělen do množství drobných kruhových molekul o délce jen asi 2–3 tisíce párů bází. Každý kruh obsahuje obvykle jeden gen, někdy však dva nebo také vůbec žádný.
Rovněž počet plně funkčních (přepisovaných a translatových) genů je velice rozmanitý. Řádově obsahuje jedna molekula pDNA několik desítek či stovek genů, chloroplasty vyšších rostlin obvykle kolem 120 genů. Tyto geny kódují čtyři molekuly ribozomální RNA a 20 ribozomálních proteinů (podílející se na stavbě ribozomů v chloroplastech), asi 30 různých transferových RNA, dále několik podjednotek chloroplastové RNA polymerázy, několik součástí fotosystémů I a II a ATP syntázy účastnící se fotosyntézy v chloroplastech, několik enzymů elektronového transportního řetězce, jednu podjednotku enzymu RuBisCO a další proteiny, některé s neznámou funkcí. Z tohoto přehledu je poměrně zřejmé, že chloroplast není soběstačný a všechny jeho ostatní součásti, namátkou například malé podjednotky enzymu RuBisCO, jsou transportovány z vnějšku z cytoplazmy. K této situaci přispěl proces horizontálního transferu DNA z pDNA do jaderné DNA (viz níže).
Na druhou stranu je známo, že plastidová DNA uvnitř některých svých genů obsahuje i nekódující oblasti, tzv. introny, které jsou typické pro eukaryota. Introny jsou z čerstvě vytvořené mRNA odstraňovány díky procesu splicingu.
Přepis, replikace a proteosyntéza náhled|upright 1.3|Ribozom v chloroplastech slouží k translaci RNA, která vznikla přepisem pDNA Na transkripci plastidové DNA se podílí dvě RNA polymerázy. První, složená z více jednotek, je kódovaná z velké části (vyjma podjednotky sigma) geny přítomnými v pDNA. Proto se anglicky označuje tato polymeráza jako plastid-encoded RNA polymerase čili PEP. PEP je velice podobná RNA polymerázám bakterií, zejména sinic. Druhá RNA polymeráza v chloroplastu se skládá pouze z jedné podjednotky a je kódovaná geny v samotném buněčném jádře (tzv. nucleus-encoded RNA polymerase, NEP). U organizmů s plastidy, které již ztratily svou fotosyntetickou funkci (např. mnohé parazitické rostliny), dochází obvykle ke ztrátě genů pro RNA polymerázu.
K translaci (syntéze proteinů) dochází na ribozomech prokaryotického typu přímo uvnitř v plastidech. Tyto ribozomy jsou velice podobné ribozomům bakterií svou stavbou i citlivostí k antibiotikům. Syntéza proteinů začíná v chloroplastech translací N-formylmethioninu, zatímco pro eukaryota je typický methionin. Genová exprese, tzn. vlastně míra syntézy určitých proteinů, je kontrolována zejména mírou translace na ribozomech, a je poněkud komplikovanější než u prokaryot. Je tak umožněna koordinace syntézy proteinů v jádře a plastidu.