Chloroplast-DNA

Chloroplast DNA blank.svg
Chloroplast-DNA interactieve genenkaart van het chloroplastgenoom uit Nicotiana tabacum. Een inkeping stelt een intron voor.

Het chloroplast-DNA, vaak afgekort als cpDNA, is een klein circulair DNA-molecuul dat vrij voorkomt in het stroma van een chloroplast.[1] Het bestaan ervan werd voor het eerst aangetoond in 1962.[2] Door middel van sequencing werd in 1986 de nucleotidenvolgorde van chloroplast-DNA uit een levermos en tabaksplant bepaald door twee Japanse onderzoeksteams.[3] Sindsdien zijn van honderden plantensoorten de cpDNA-sequenties vastgesteld, voornamelijk van zaadplanten en enkele algensoorten.[a]

De genomen van chloroplasten blijken onder plantensoorten sterk overeen te komen; ze ontwikkelen weinig mutaties. Hierdoor zijn ze uiterst geschikt voor fylogenetisch onderzoek. Het cpDNA is voor onderzoek relatief eenvoudig uit de chloroplast te isoleren, omdat er vaak meerdere cpDNA-moleculen in het stroma aanwezig zijn. Het exacte aantal kopieën hangt af van het ontwikkelingsstadium, maar de mesofylcellen in jonge bladeren kunnen wel 100 exemplaren van het genoom bevatten.

Het chloroplast-DNA is een sterke aanwijzing voor de endosymbiosetheorie. Volgens de endosymbiosetheorie waren chloroplasten oorspronkelijk fotosynthetiserende prokaryoten die in een voorouderlijke eukaryotische cel zijn gaan leven. Beiden hebben zichzelf aangepast om ingesteld samen te leven. Het cpDNA zoals men dat nu in chloroplasten aantreft komt sterk overeen met dat van die prokaryote voorouders: ze zijn klein, circulair en vormen geen complexe structuren zoals chromatine. Het cpDNA codeert voor een grote verzameling aan eiwitten, organische verbindingen en functioneel RNA, die voornamelijk betrokken zijn de fotosynthese.[b] Veel van de genen zijn georganiseerd in clusters (operons). Transcriptie van deze operons levert grote polycistronische mRNA-transcripten, die later worden verknipt tot oligo- of monocistronische mRNA’s. Deze manier van genexpressie vindt men alleen terug in bacteriën.

Chloroplasten worden maternaal overgeërfd. Dit gegeven wordt benut in de gentechnologie en moleculaire biologie. Het is niet mogelijk dat chloroplastgenen via stuifmeelcellen (de mannelijke voortplantingscellen) worden doorgegeven aan nakomelingen. Omdat chloroplast-DNA overvloedig in cellen voorkomt, zijn er veel kopieën van het te onderzoeken gen beschikbaar. Bovendien kan er geen gene silencing optreden bij de transformatie van chloroplasten. Al deze feiten bijeengenomen maken dat chloroplast-DNA uitstekend gebruikt kan worden voor gerichte genexpressie en de synthese van actieve eiwitten.[c]