БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 7, с. 1036–1048

Регулярные статьи

УДК 577.29

Импорт ДНК в митохондрии растений: комплексный подход для изучения in organello и in vivo*

© 2019 Т.А. Тарасенко #, В.И. Тарасенко #, М.В. Кулинченко **, Е.С. Клименко, Ю.М. Константинов

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033 Иркутск, Россия; электронная почта: mk100171@yahoo.com

Поступила в редакцию 06.03.2019
После доработки 02.04.2019
Принята к публикации 10.04.2019

DOI: 10.1134/S032097251907011X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: импорт ДНК, митохондрии растений, флуоресцентное мечение, трансформация протопластов, Arabidopsis thaliana.

Аннотация

Природная компетентность митохондрий к поглощению ДНК — феномен, известный на протяжении последних 20 лет. Все исследования этого процесса до настоящего времени проводили исключительно на уровне изолированных митохондрий, поскольку отсутствовала система, позволяющая изучать перенос ДНК в эти органеллы в целых клетках. Нами проведена работа по усовершенствованию и стандартизации существующих подходов к изучению импорта ДНК в митохондрии растений в системе in organello. Разработан метод детекции импорта флуоресцентно меченых субстратов ДНК. С учетом выявленных особенностей процесса импорта ДНК, предложен эффективный метод оценки его интенсивности с помощью количественной ПЦР. Нами разработана и детально охарактеризована также система in vivo, позволяющая исследовать процесс переноса молекул ДНК из цитоплазмы в митохондриальный матрикс в протопластах Arabidopsis thaliana. Предлагаемый комплексный подход для изучения природной компетентности митохондрий растений к поглощению ДНК позволит установить, сохраняются ли in vivo закономерности митохондриального импорта ДНК, показанные in organello.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM 19-066, 1.07.2019.

** Адресат для корреспонденции.

# Авторы внесли равный вклад в работу.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-04-00603).

Благодарности

Авторы выражают благодарность Клименкову Игорю Викторовичу за проведение микроскопии и Коротаевой Наталье Евгеньевне за помощь в проведении флуоресцентного анализа. В работе использовано оборудование ЦКП «Биоаналитика» СИФИБР СО РАН (г. Иркутск).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием животных или людей в качестве объектов.

Список литературы

1. Saccone, C., De Giorgi, C, Gissi C., Pesole, G., and Reyes, A. (1999) Evolutionary genomics in Metazoa: the mitochondrial DNA as a model system, Gene, 238, 195–209, doi: 10.1016/S0378-1119(99)00270-X.

2. Alverson, A.J., Rice, D.W., Dickinson, S., Barry, K., and Palmer, J.D. (2011) Origins and recombination of the bacterial-sized multichromosomal mitochondrial genome of cucumber, Plant Cell, 23, 2499–2513, doi: 10.1105/tpc.111.087189.

3. Kubo, T., and Newton, K.J. (2008) Angiosperm mitochondrial genomes and mutations Mitochondrion, 8, 5–14, doi: 10.1016/j.mito.2007.10.006.

4. Unseld, M., Marienfeld, J.R., Brandt, P., and Brennicke, A. (1997) The mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana contains 57 genes in 366,924 nucleotides, Nat. Genet., 15, 57–61, doi: 10.1038/ng0197-57.

5. Sanchez-Puerta, M.V. (2014) Involvement of plastid, mitochondrial and nuclear genomes in plant-to-plant horizontal gene transfer, Acta Soc. Bot. Pol., 83, 317–323, doi: 10.5586/asbp.2014.041.

6. Kubo, T., Nishizawa, S., Sugawara, A., Itchoda, N., Estiati, A., and Mikami, T. (2000) The complete nucleo-tide sequence of the mitochondrial genome of sugar beet (Beta vulgaris L.) reveals a novel gene for tRNAcys(GCA), Nucleic Acids Res., 28, 2571–2576, doi: 10.1093/nar/28.13.2571.

7. Koulintchenko, M., Konstantinov, Y., and Dietrich, A. (2003) Plant mitochondria actively import DNA via the permeability transition pore complex, EMBO J., 22, 1245–1254, doi: 10.1093/emboj/cdg128.

8. Konstantinov, Y.M., Dietrich, A., Weber-Lotfi, F., Ibrahim, N., Klimenko, E.S., Tarasenko, V.I., Bolotova, T.A., and Koulintchenko, M.V. (2016) DNA import into mitochondria, Biochemistry (Moscow), 81, 1044–1056, doi: 10.1134/S0006297916100035.

9. Koulintchenko, M., Temperley, R.J., Mason, P.A., Dietrich, A., and Lightowlers, R.N. (2006) Natural competence of mammalian mitochondria allows the molecular investigation of mitochondrial gene expression, Hum. Mol. Genet., 15, 143–154, doi: 10.1093/hmg/ddi435.

10. Weber-Lotfi, F., Ibrahim, N., Boesch P., Cosset, A., Konstantinov, Y., Lightowlers, R.N., and Dietrich, A. (2009) Developing a genetic approach to investigate the mechanism of mitochondrial competence for DNA import, Biochim. Biophys. Acta, 1787, 320–327, doi: 10.1016/j.bbabio.2008.11.001.

11. Campo, M.L., Peixoto, P.M., and Martinez-Caballero, S. (2017) Revisiting trends on mitochondrial mega-channels for the import of proteins and nucleic acids, J. Bioenerg. Biomembr., 49, 75–99, doi: 10.1007/s10863-016-9662-z.

12. Verechshagina, N.A., Konstantinov, Y.M., Kamenski, P.A., and Mazunin, I.O. (2018) Import of proteins and nucleic acids into mitochondria, Biochemistry (Moscow), 83, 643–661, doi: 10.1134/S0006297918060032.

13. Delage, L., Duchene, A. M., Zaepfel, M., and Marechal-Drouard, L. (2003) The anticodon and the D-domain sequences are essential determinants for plant cytosolic tRNAVal import into mitochondria, Plant J., 34, 623–633, doi: 10.1046/j.1365-313X.2003.01752.x.

14. Weber-Lotfi, F., Koulintchenko, M.V., Ibrahim, N., Hammann, P., Mileshina, D.V., Konstantinov, Y.M., and Dietrich, A. (2015) Nucleic acid import into mitochondria: New insights into the translocation pathways, Biochim. Biophys. Acta, 1853, 3165–3181, doi: 10.1016/j.bbamcr.2015.09.011.

15. Mileshina, D., Koulintchenko, M., Konstantinov, Yu., and Dietrich, A. (2011) Transfection of plant mitochondria and in organello gene integration, Nucleic Acids Res., 39, e115, doi: 10.1093/nar/gkr517.

16. Sweetlove, L.J., Taylor, N.L., and Leaver, C.J. (2007) Isolation of intact, functional mitochondria from the model plant Arabidopsis thaliana, Methods Mol. Biol., 372, 125–136, doi: 10.1007/978-1-59745-365-3_9.

17. Newton, K.J., and Walbot, V. (1985) Maize mitochondria synthesize organ-specific polypeptides, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 6879–6883, doi: 10.1073/pnas.82.20.6879.

18. Neuburger, M., Journet, E.P., Bligny, R., Carde J.-P., and Douce, R. (1982) Purification of plant mitochondria by isopycnic centrifugation in density gradients of Percoll, Arch. Biochem. Biophys., 217, 312–323, doi: 10.1016/0003-9861(82)90507-0.

19. Bradford, M.M. (1976) A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding, Anal. Biochem., 72, 248–254, doi: 10.1016/0003-2697(76)90527-3.

20. Layton, B.E., Sastry, A.M., Lastoskie, C.M., Philbert, M.A., Miller, T.J., Sullivan, K.A., Feldman, E.L., and Wang, C.-W. (2004) In situ imaging of mitochondrial outer membrane pores using atomic force microscopy, Biotechniques, 37, 564–573, doi: 10.2144/04374BI01.

21. Douce, R., and Neuburger, M. (1989) The uniqueness of plant mitochondria, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 40, 371–414, doi: 10.1146/annurev.pp.40.060189.002103.

22. Грабельных О.И., Кириченко К.А., Побежимова Т.П., Боровик О.А., Павловская Н.С., Любушкина И.В., Королева Н.А., Войников В.К. (2014) Влияние холодового шока на жирнокислотный состав и функциональное состояние митохондрий закаленных и незакаленных проростков озимой пшеницы, Биологические мембраны, 31, 204–217, doi: 10.7868/S0233475514020029.

23. Wu, F.-H., Shen, S.-C., Lee L.-Y., Chan M.-T., and Lin, C.-S. (2009) Tape-Arabidopsis sandwich – a simpler Arabidopsis protoplast isolation method, Plant Methods, 5, 1–10, doi: 10.1186/1746-4811-5-16.

24. Клименко Е.С., Милейко В.А., Морозкин Е.С., Лактионов П.П., Константинов Ю.М. (2011) Характеристика импорта и экспорта ДНК в митохондриях картофеля (Solanum tuberosum) с использованием метода количественной ПЦР, Биологические мембраны, 28, 199–205, doi: 10.1134/S1990747811030044.

25. Meyer, E.H., and Millar, A.H. (2008) Isolation of mitochondria from plant cell culture, Methods Mol. Biol., 425, 163–169, doi: 10.1007/978-1-60327-210-0_15.

26. Doolittle, W.F., Boucher, Y., Nesbo, C.L., Douady, C.J., Andersson, J.O., and Roger, A.J. (2003) How big is the iceberg of which organellar genes in nuclear genomes are but the tip? Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 358, 39–57, doi: 10.1098/rstb.2002.1185.

27. Nakamura, Y., Itoh, T., Matsuda, H., and Gojobori, T. (2004) Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes, Nat. Genet., 36, 760–766, doi: 10.1038/ng1381.

28. Bai, H., Schiralli Lester, G.M., Petishnok, L.C., and Dean, D.A. (2017) Cytoplasmic transport and nuclear import of plasmid DNA, Biosci. Rep., 37, BSR20160616, doi: 10.1042/BSR20160616.

29. Dowty, M.E., Williams, P., Zhang, G., Hagstrom, J.E., and Wolff, J.A. (1995) Plasmid DNA entry into postmitotic nuclei of primary rat myotubes, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 92, 4572–4576, doi: 10.1073/pnas.92.10.4572.

30. Hagstrom, J. E., Ludtke, J.J., Bassik, M.C., Sebestyén, M.G., Adam, S.A. and Wolff, J.A. (1997) Nuclear import of DNA in digitonin-permeabilized cells, J. Cell Sci., 110, 2323–2331.

31. Johnston, I.G., and Williams, B.P. (2016) Evolutionary inference across eukaryotes identifies specific pressures favoring mitochondrial gene retention, Cell Systems, 2, 101–111, doi: 10.1016/j.cels.2016.01.013.

32. Pichersky, E., Logsdon, J.M. Jr., McGrath, J.M., and Stasys, R.A. (1991) Fragments of plastid DNA in the nuclear genome of tomato: prevalence, chromosomal location, and possible mechanism of integration, Mol. Gen. Genet., 225, 453–458, doi: 10.1007/BF00261687.

33. Ayliffe, M.A., and Timmis, J.N. (1992) Plastid DNA sequence homologies in the tobacco nuclear genome, Mol. Gen. Genet., 236, 105–112, doi: 10.1007/BF00279648.

34. Mower, J.P., Jain, K., and Hepburn, N.J. (2012) The role of horizontal transfer in shaping the plant mitochondrial genome, Adv. Botan. Res., 63, 41–69, doi: 10.1016/B978-0-12-394279-1.00003-X.

35. Marechal-Drouard, L., Small, I., Weil, J.H., and Dietrich, A. (1995) Transfer RNA import into plant mitochondria, Methods Enzymol., 260, 310–327, doi: 10.1016/0076-6879(95)60148-1.

36. Diao, X.M., Freeling, M., and Lisch, D. (2006) Horizontal transfer of a plant transposon, PLoS Biol., 4, e5, doi: 10.1371/journal.pbio.0040005.

37. Rice, D.W., and Palmer, J.D. (2006) An exceptional horizontal gene transfer in plastids: gene replacement by a distant bacterial paralog and evidence that haptophyte and cryptophyte plastids are sisters, BMC Biol., 4, doi: 10.1186/1741-7007-4-31.

38. Richardson, A.O., and Palmer, J.D. (2007) Horizontal gene transfer in plants, J. Exp. Bot., 58, 1–9, doi: 10.1093/jxb/erl148.

39. Jackson, C.B., Zbindena, C., Gallati, S., and Schaller, A. (2014) Heterologous expression from the human D-Loop in organello, Mitochondrion, 17, 67–75, doi: 10.1016/j.mito.2014.05.011.

40. Remacle, C., Larosa, V., Salinas, T., Hamel, P., Subrahmanian, N., Bonnefoy, N., and Kempken, F. (2012) In Genomics of chloroplasts and mitochondria, Advances in photosynthesis and respiration (Bock, R., and Knoop V., eds), Springer Science, Belgium, pp. 443–458, doi: 10.1007/978-94-007-2920-9.

41. Niazi, A.K., Mileshina, D., Cosset, A., Val, R., Weber-Lotfi, F., and Dietrich, A. (2013) Targeting nucleic acids into mitochondria: progress and prospects, Mitochondrion, 13, 548–558, doi: 10.1016/j.mito.2012.05.004.

42. Bhushan, S., Pavlov, P.F., Rudhe, C., and Glaser, E. (2007) In vitro and in vivo methods to study protein import into plant mitochondria, Methods Mol. Biol., 390, 131–150, doi: 10.1007/978-1-59745-466-7_9.

43. Wehner, N., Hartmann, L., Ehlert, A., Bottner, S., Onate-Sanchez, L., and Droge-Laser, W. (2011) High-throughput protoplast transactivation (PTA) system for the analysis of Arabidopsis transcription factor function, Plant J., 68, 560–569, doi: 10.1111/j.1365-313X.2011.04704.x.

44. Wintz, H., and Dietrich, A. (1996) Electroporation of small RNAs into plant protoplasts: mitochondrial uptake of transfer RNAs, Biochem. Biophys. Res. Commun., 223, 204–210, doi: 10.1006/bbrc.1996.0870.