Duplikationen und lateraler Transfer von Genen als Motor der Evolution: Molekulare Studien am GAPDH-Gensystem von Grünalgen, Landpflanzen und Chlorarachniophyta

Petersen, Jörn

In dieser Arbeit wurden zwei zentrale Genduplikationen des Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) Gensystems, die der plastidären GapA (Calvin Zyklus) und der cytosolischen GapC (Glykolyse) untersucht. Die phylogenetischen Analysen zeigen, daß die GapA/B-Genduplikation in einem gemeinsamen Vorfahren aller Charophyceae (Grünalgen) und Landpflanzen erfolgte. Dies belegt eindeutig die Monophylie beider Gruppen zum Ausschluß der übrigen Grünalgen. Die Untersuchungen von GapC und GapCp Sequenzen legen nahe, daß die Landpflanzen von einer Coleochaete-artigen Grünalge abstammen. Molekulare und physiologische Untersuchungen der GapCp erfolgten an Paprika (Capsicum annuum). Das Protein wurde in E. coli überexpremiert und die Genstruktur der GapCp wurde analysiert. Northern Analysen zeigen, daß die GapCp ausschließlich in heterotrophen Geweben exprimiert wird. Aufgrund dieses spezifischen Expressionsmusters ist die GapCp ein Markerenzym der plastidären Glykolyse. Die Bedeutung dieses Stoffwechselweges wird durch den Nachweis von GapCp Genen in allen großen Abteilungen von Landpflanzen unterstrichen. Die Chloroplasten der Chlorarachniophyta entstammen einer sekundären Endosymbiose mit einer Grünalge. Hier wurde das GAPDH-System dieser Abteilung untersucht und es konnte die cytosolische und plastidäre GAPDH-Sequenz kloniert werden. Alle bisher untersuchten photosynthetischen Eukaryoten besitzen ausschließlich GapA und/oder GapC Gene. Mit der plastidären GapX aus Chlorarachnion wurde ein völlig neuer eukaryotischer GAPDH-Typ entdeckt; eine homologe Sequenz findet man auch in Pseudomonas aeruginosa. Vermutlich wurde die GapX der Chlorarachniophyta mittels lateralen Gentransfers aus Eubakterien rekrutiert.

Two important gene duplications within the GAPDH gene system, concerning the plastid GapA (Calvin cycle) and the cytosolic GapC (glycolysis), were characterized. Phylogenetic analyses show that the GapA/B gene duplication occurred in a common ancestor of all charophytes (green algae) and land plants. This result unequivocally demonstrates the monophyletic origin of both groups and excludes the more primitive Chlorophytes. Analyses of GapC and GapCp sequences indicate that land plants originated from a Coleochaete-like green alga. Molecular and physiological analyses were performed with the GapCp from pepper (Capsicum annuum). The protein was overexpressed in E. coli and the gene structure was determined. Northern experiments show, that GapCp is exclusively expressed in heterotrophic tissues. Due to this specific expression pattern the GapCp can be regarded as a marker enzyme of plastid glycolysis. The wide occcurance of GapCp genes in different land plant orders stresses the importance of this mebabolic pathway. The plastids of the Chlorarachniophytes originated from a secondary endosymbiosis with a green alga. Cytosolic and plastid GAPDH sequences from Chlorarachnion CCMP 621 were cloned and sequenced. All known photosynthetic eukaryotes contain GapA and/or GapC sequences. The plastid GapX from Chlorarachnion represents an absolutely new eukaryotic GAPDH-type; a homologous sequence is present in Pseudomonas aeruginosa. The chlorarachniophytes probably recruited this GapX gene via lateral gene transfer from eubacterial ancestors.

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Petersen, Jörn: Duplikationen und lateraler Transfer von Genen als Motor der Evolution: Molekulare Studien am GAPDH-Gensystem von Grünalgen, Landpflanzen und Chlorarachniophyta. 1999.

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