L'ADN chloroplastique (ADNcp) ou plastome est le matériel génétique situé dans les plastes, qui sont des organites photosynthétiques situés dans les cellules de certains organismes eucaryotes tels que les chloroplastes des cellules végétales. Les chloroplastes, comme les autres types de plastides, contiennent un génome distinct de celui du noyau cellulaire. L'existence de l'ADN chloroplastique est identifiée biochimiquement en 1959, et confirmée par microscopie électronique en 1962. Les découvertes que le chloroplaste contient des ribosomes et effectue la synthèse des protéines révèlent que le chloroplaste est génétiquement semi-autonome. Les premières séquences complètes du génome du chloroplaste sont publiées en 1986, Nicotiana tabacum (tabac) par Sugiura et ses collègues et Marchantia polymorpha (hépatique) par Ozeki et al. Depuis lors, de diverses espèces sont séquencés.
Structure moléculaire vignette|400x400px| La carte d'ADN chloroplastique de 154 kb d'une plante à fleurs modèle (Arabidopsis thaliana : Brassicaceae) montrant les gènes et les répétitions inversées. Les ADN de chloroplastes sont circulaires et ont généralement une longueur de 120 000 à 170 000 paires de bases. Ils peuvent avoir une longueur de contour d'environ 30 à 60 micromètres et une masse d'environ 80 à 130 millions de daltons.
Chez la plupart des chloroplastes, l'ensemble de leur génome chloroplastique se combine en un seul anneau, bien que ceux des algues dinophytes soient une exception notable - leur génome est divisé en une quarantaine de petits plasmides, chacun de 2 000 à 10 000 paires de bases de long. Chaque anneau contient un à trois gènes, mais des plasmides vierges, sans ADN codant, peuvent aussi être trouvés.
On a longtemps pensé que l'ADN des chloroplastes formait une structure circulaire, mais certaines preuves suggèrent que l'ADN des chloroplastes prend plus souvent une forme linéaire. Plus de 95% de l'ADN chloroplastique dans les chloroplastes de maïs est observé sous forme linéaire ramifiée plutôt que sous forme de cercles individuels. Répétitions inversées De nombreux ADN de chloroplastes contiennent deux répétitions inversées, qui séparent une longue section à copie unique (LSC) d'une courte section à copie unique (SSC).
Les répétitions inversées varient énormément en longueur, allant de 4 000 à 25 000 paires de bases chacune. Les répétitions inversées chez les plantes ont tendance à se situer à l'extrémité supérieure de cette plage, chacune ayant une longueur de 20 000 à 25 000 paires de bases. Les régions répétées inversées contiennent généralement trois gènes d'ARN ribosomal et deux gènes d'ARNt, mais elles peuvent être étendues ou réduites pour contenir aussi peu que quatre ou jusqu'à plus de 150 gènes. Alors qu'une paire donnée de répétitions inversées est rarement complètement identique, elles sont toujours très similaires les unes aux autres, résultant apparemment d'une .
Les régions répétées inversées sont hautement conservées parmi les plantes terrestres et accumulent peu de mutations. Des répétitions inversées similaires existent dans les génomes des cyanobactéries et des deux autres lignées de chloroplastes (glaucophyta et rhodophyceæ), suggérant qu'elles sont antérieures au chloroplaste, bien que certains ADN de chloroplastes comme ceux des pois et quelques algues rouges aient depuis perdu les répétitions inversées. D'autres, comme l'algue rouge Porphyra, inversent l'une de ses répétitions inversées (ce qui en fait des répétitions directes). Il est possible que les répétitions inversées aident à stabiliser le reste du génome du chloroplaste, car les ADN de chloroplaste qui perdent certains des segments répétés inversés ont tendance à se réorganiser davantage. Nucléoïdes Chaque chloroplaste contient environ 100 copies de son ADN dans les jeunes feuilles, diminuant à 15–20 copies dans les feuilles plus âgées. Ils sont généralement emballés dans des nucléoïdes qui peuvent contenir plusieurs anneaux d'ADN chloroplastiques identiques. De nombreux nucléoïdes peuvent être trouvés dans chaque chloroplaste.
Bien que l'ADN du chloroplaste ne soit pas associé à de véritables histones, dans les algues rouges, une protéine chloroplastique de type histone (HC) codée par l'ADN du chloroplaste qui emballe étroitement chaque anneau d'ADN du chloroplaste dans un nucléoïde est trouvée.
Dans les algues rouges primitives, les nucléoïdes d'ADN du chloroplaste sont regroupés au centre d'un chloroplaste, tandis que dans les plantes vertes et les algues vertes, les nucléoïdes sont dispersés dans tout le stroma. Contenu génétique et expression des gènes plastidiaux Plus de 5000 génomes de chloroplastes sont séquencés et sont accessibles via la base de données du génome des organelles du NCBI. Les premiers génomes de chloroplastes sont séquencés en 1986, à partir de tabac (Nicotiana tabacum) et d'hépatique (Marchantia polymorpha). La comparaison des séquences génétiques de la cyanobactérie Synechocystis à celles du génome chloroplastique dArabidopsis permet de confirmer l'origine endosymbiotique du chloroplaste. Il démontre l'étendue significative du transfert de gènes de l'ancêtre cyanobactérien vers le génome nucléaire.
Chez la plupart des espèces végétales, le génome du chloroplaste code environ 120 gènes. Les gènes codent principalement des composants essentiels de la machinerie photosynthétique et des facteurs impliqués dans leur expression et leur assemblage. À travers les espèces de plantes terrestres, l'ensemble des gènes codés par le génome du chloroplaste est assez conservé. Cela comprend quatre ARN ribosomiques, environ 30 ARNt, 21 protéines ribosomiques et 4 sous-unités du complexe ARN polymérase codé par les plastes qui sont impliquées dans l'expression des gènes des plastes. La grande sous-unité Rubisco et 28 protéines thylakoïdes photosynthétiques sont codées dans le génome du chloroplaste.
Réduction du génome des chloroplastes et transfert de gènes Au fil du temps, de nombreuses parties du génome du chloroplaste sont transférées au génome nucléaire de l'hôte, un processus appelé transfert de gène endosymbiotique. En conséquence, le génome du chloroplaste est fortement réduit par rapport à celui des cyanobactéries libres. Les chloroplastes peuvent contenir 60 à 100 gènes alors que les cyanobactéries ont souvent plus de 1500 gènes dans leur génome. Au contraire, il n'y a que quelques cas connus où des gènes sont transférés au chloroplaste à partir de divers donneurs, y compris des bactéries.
Le transfert de gène endosymbiotique est la façon dont nous connaissons les chloroplastes perdus dans de nombreuses lignées de chromalvéolés. Même si un chloroplaste est finalement perdu, les gènes qu'il donne au noyau de l'ancien hôte persistent, fournissant la preuve de l'existence du chloroplaste perdu. Par exemple, alors que les diatomées (un hétérokontophyte) ont maintenant un chloroplaste dérivé d'algues rouges, la présence de nombreux gènes d'algues vertes dans le noyau de la diatomée prouve que l'ancêtre des diatomées (probablement l'ancêtre de tous les chromalvéolates également) a un chloroplaste dérivé d'algues vertes à un certain point, qui est remplacé par le chloroplaste rouge.
Chez les plantes terrestres, environ 11 à 14 % de l'ADN de leurs noyaux remontent au chloroplaste, jusqu'à 18 % chez Arabidopsis, correspondant à environ 4 500 gènes codant pour des protéines. Il y a quelques transferts récents de gènes de l'ADN du chloroplaste au génome nucléaire chez les plantes terrestres. Protéines codées par le chloroplaste Sur les quelque trois mille protéines présentes dans les chloroplastes, environ 95 % d'entre elles sont codées par des gènes nucléaires. De nombreux complexes protéiques du chloroplaste sont constitués de sous-unités du génome du chloroplaste et du génome nucléaire de l'hôte. En conséquence, la synthèse des protéines doit être coordonnée entre le chloroplaste et le noyau. Le chloroplaste est principalement sous contrôle nucléaire, bien que les chloroplastes puissent également émettre des signaux régulant l'expression des gènes dans le noyau, appelés signalisation rétrograde.
Synthèse des protéines La synthèse des protéines dans les chloroplastes repose sur une ARN polymérase codée par le propre génome du chloroplaste, qui est liée aux ARN polymérases trouvées dans les bactéries. Les chloroplastes contiennent également une mystérieuse seconde ARN polymérase codée par le génome nucléaire de la plante. Les deux ARN polymérases peuvent reconnaître et se lier à différents types de promoteurs dans le génome du chloroplaste. Les ribosomes des chloroplastes sont similaires aux ribosomes bactériens.
Édition d'ARN dans les plastes L'édition d'ARN est l'insertion, la suppression et la substitution de nucléotides dans un transcrit d'ARNm avant la traduction en protéine. L'environnement hautement oxydant à l'intérieur des chloroplastes augmente le taux de mutation, de sorte que des réparations post-transcription sont nécessaires pour conserver les séquences fonctionnelles. L'éditosome du chloroplaste remplace C -> U et U -> C à des endroits très spécifiques du transcrit. Cela peut changer le codon d'un acide aminé ou restaurer un pseudogène non fonctionnel en ajoutant un codon d'initiation AUG ou en supprimant un codon d'arrêt UAA prématuré.
L'éditosome reconnaît et se lie à la séquence cis en amont du site d'édition. La distance entre le site de liaison et le site d'édition varie selon le gène et les protéines impliquées dans l'éditosome. Des centaines de protéines PPR différentes du génome nucléaire sont impliquées dans le processus d'édition de l'ARN. Ces protéines sont constituées d'acides aminés répétés 35-mères, dont la séquence détermine le site de liaison cis pour le transcrit édité.
Les plantes terrestres basales telles que les hépatiques, les mousses et les fougères ont des centaines de sites d'édition différents, tandis que les plantes à fleurs en ont généralement entre trente et quarante. Les plantes parasites telles que Epifagus virginiana montrent une perte d'édition d'ARN entraînant une perte de fonction pour les gènes de la photosynthèse. Réplication de l'ADN
Modèle leader de la réplication de l'ADNc vignette| Réplication de l'ADN des chloroplastes via plusieurs mécanismes de boucle D. Adapté de Krishnan NM, l'article de Rao BJ "Une approche comparative pour élucider la réplication du génome des chloroplastes." Le mécanisme de réplication de l'ADN chloroplastique (ADNcp) n'a pas été déterminé de manière concluante, mais deux modèles principaux sont proposés. Les scientifiques tentent d'observer la réplication des chloroplastes par microscopie électronique depuis les années 1970. Les résultats des expériences de microscopie conduisent à l'idée que l'ADN du chloroplaste se réplique à l'aide d'une boucle à double déplacement (boucle D). Au fur et à mesure que la se déplace dans l'ADN circulaire, elle adopte une forme intermédiaire thêta, également connue sous le nom d'intermédiaire de réplication de Cairns, et complète la réplication avec un mécanisme de cercle roulant. La réplication commence à des points d'origine spécifiques. Plusieurs fourches de réplication s'ouvrent, permettant aux machines de réplication de répliquer l'ADN. Au fur et à mesure que la réplication se poursuit, les fourches grandissent et finissent par converger. Les nouvelles structures d'ADNcp se séparent, créant des chromosomes filles d'ADNcp.
En plus des premières expériences de microscopie, ce modèle est également soutenu par les quantités de désamination observées dans l'ADNcp. La désamination se produit lorsqu'un groupe amino est perdu et est une mutation qui entraîne souvent des changements de base. Lorsque l'adénine est désaminée, elle devient de l'hypoxanthine (H). L'hypoxanthine peut se lier à la cytosine, et lorsque la paire de bases HC est répliquée, elle devient un GC (donc, un changement de base A → G).