Нейроспора красса

Нейроспора красса
Научная классификация
Домен:	Эукариоты
Королевство:	Грибы
Разделение:	Аскомикота
Сорт:	Сордариомицеты
Заказ:	Сордариалес
Семья:	Сордариевые
Род:	Нейроспора
Разновидность:	Н. красса
Биномиальное имя
Нейроспора красса Шир и Бо Додж

Neurospora crassa — разновидность плесени красного хлеба из типа Ascomycota . Название рода, что в переводе с греческого означает «нервная спора», связано с характерными полосками на спорах . Первое опубликованное сообщение об этом грибке было связано с заражением французских пекарен в 1843 году.

Neurospora crassa используется в качестве модельного организма , поскольку ее легко выращивать и она имеет гаплоидный жизненный цикл, что упрощает генетический анализ, поскольку у потомства проявятся рецессивные признаки. Анализ генетической рекомбинации облегчается упорядоченным расположением продуктов мейоза в Neurospora аскоспорах . Весь его геном из семи хромосом был секвенирован.

Neurospora использовалась Эдвардом Татумом и Джорджем Уэллсом Бидлом в их экспериментах, за которые они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1958 году. Бидл и Татум подвергли N. crassa рентгеновским лучам, вызвав мутации . Затем они наблюдали сбои в метаболических путях, вызванные ошибками в работе определенных ферментов . Это привело их к выдвижению гипотезы «один ген — один фермент», согласно которой определенные гены кодируют определенные белки . Их гипотеза была позже развита в отношении ферментативных путей Норманом Горовицем , также работавшим над Neurospora . Как вспоминал Норман Горовиц в 2004 году, «Эти эксперименты положили начало науке о том, что Бидл и Татум назвали «биохимической генетикой». На самом деле они оказались началом того, что стало молекулярной генетикой и всеми последующими разработками».

В выпуске журнала Nature , что геном N. crassa от 24 апреля 2003 года сообщалось полностью секвенирован . Геном имеет длину около 43 мегабаз и включает около 10 000 генов. В стадии реализации находится проект по созданию штаммов, содержащих нокаутные мутанты каждого гена N. crassa .

В естественной среде N. crassa обитает преимущественно в тропических и субтропических регионах. Его можно найти растущим на отмерших растениях после пожаров.

Neurospora активно используется в исследованиях по всему миру. Это важно для выяснения молекулярных событий, связанных с циркадными ритмами, эпигенетикой и молчанием генов , полярностью клеток , слиянием клеток , развитием, а также многими аспектами клеточной биологии и биохимии.

Сексуальный цикл

Жизненный цикл Neurospora crassa. Гаплоидный мицелий размножается бесполым путем посредством двух процессов: (1) простой пролиферации существующего мицелия и (2) образования конидий (макро- и микро-), которые могут рассеиваться, а затем прорастать с образованием нового мицелия. В половом цикле спаривание может происходить только между отдельными линиями разного типа спаривания А и а. Оплодотворение происходит путем прохождения ядер конидий или мицелия одного типа спаривания в протоперитеции противоположного типа спаривания через трихогину. Внутри протоперитеция происходит слияние ядер противоположных типов спаривания с образованием ядра зиготы (2N).

Половые плодовые тела (перитеции) могут образоваться только при сближении двух мицелий разного типа спаривания (см. рисунок). Как и другие аскомицеты, N. crassa имеет два типа спаривания, которые в данном случае обозначаются буквами A и a . спаривания нет Очевидной морфологической разницы между штаммами типа А и типа . Оба могут образовывать обильные протоперитеции — женскую репродуктивную структуру (см. рисунок). Протоперитеции легче всего образуются в лаборатории, когда рост происходит на твердой (агаровой) синтетической среде с относительно низким содержанием азота. Азотное голодание, по-видимому, необходимо для экспрессии генов, участвующих в половом развитии. Протоперитеций состоит из аскогония — спиральной многоклеточной гифы, заключенной в узелковое скопление гиф. Разветвленная система тонких гиф, называемая трихогиной, простирается от кончика аскогония, выступая за пределы покрывающих гиф в воздух. Половой цикл инициируется (т.е. происходит оплодотворение), когда клетка (обычно конидия) противоположного типа спаривания контактирует с частью трихогины (см. рисунок). За таким контактом может последовать слияние клеток, приводящее к тому, что одно или несколько ядер оплодотворяющей клетки мигрируют вниз по трихогине в аскогоний. Поскольку штаммы А и А имеют одинаковую половую структуру, ни один штамм не может считаться исключительно мужским или женским. Однако в качестве реципиента протоперитеций как штаммов А , так и штаммов А можно рассматривать как женскую структуру, а оплодотворяющий конидий можно рассматривать как участника мужского пола.

Последующие шаги после слияния А и гаплоидных клеток были изложены Финчемом и Дэем. и Вагнер и Митчелл. После слияния клеток дальнейшее слияние их ядер задерживается. Вместо этого ядро ​​оплодотворяющей клетки и ядро ​​аскогония связываются и начинают синхронно делиться. Продукты этих ядерных делений (еще парами разного типа спаривания, т. е. А/а ) мигрируют в многочисленные аскогенные гифы, которые затем начинают расти из аскогония. Каждая из этих аскогенных гиф изгибается, образуя крючок (или посох) на своем кончике, а А и пара гаплоидных ядер внутри посоха делятся синхронно. Далее формируются перегородки, разделяющие посох на три ячейки. Центральная клетка изгиба крючка содержит одно ядро ​​А и одно ядро ​​(см. рисунок). Эта двуядерная клетка инициирует образование сумки и называется «инициальной клеткой аски». Затем две одноядерные клетки по обе стороны от первой клетки, образующей аск, сливаются друг с другом, образуя двуядерную клетку , которая может расти с образованием еще одной клетки, образующей аску, которая затем может сформировать свою собственную начальную клетку аска. Затем этот процесс можно повторить несколько раз.

После образования аска-инициальной клетки А и ядро ​​сливаются друг с другом, образуя диплоидное ядро ​​(см. Рисунок). Это ядро ​​— единственное диплоидное ядро ​​за весь жизненный цикл N. crassa . Диплоидное ядро ​​состоит из 14 хромосом, образовавшихся из двух сросшихся гаплоидных ядер, каждое из которых содержало по 7 хромосом. За образованием диплоидного ядра сразу же следует мейоз . Два последовательных деления мейоза приводят к четырем гаплоидным ядрам: двум типам спаривания А и двум типам спаривания а . Еще одно митотическое деление приводит к образованию четырех ядер А и четырех ядер в каждой сумке. Мейоз является неотъемлемой частью жизненного цикла всех организмов, размножающихся половым путем, и по своим основным признакам мейоз у N. crassa кажется типичным для мейоза в целом.

При возникновении вышеперечисленных событий мицелиальная оболочка, окружавшая аскогоний, развивается в стенку перитеция, пропитывается меланином и чернеет. Зрелый перитеций имеет колбовидное строение.

Зрелый перитеций может содержать до 300 аск, каждая из которых происходит из идентичных слитых диплоидных ядер. Обычно в природе при созревании перитеций аскоспоры довольно сильно выбрасываются в воздух. Эти аскоспоры термостойки, и в лаборатории для их прорастания требуется нагревание при температуре 60 °C в течение 30 минут. Для нормальных штаммов весь половой цикл занимает от 10 до 15 дней. У зрелой аски, содержащей восемь аскоспор, пары соседних спор идентичны по генетическому строению, так как последнее деление митотическое, а аскоспоры содержатся в мешке аскоспоры, удерживающем их в определенном порядке, определяемом направлением ядерных сегрегаций во время мейоз. Поскольку четыре первичных продукта также расположены последовательно, паттерн сегрегации первого деления генетических маркеров можно отличить от паттерна сегрегации второго деления.

Генетический анализ тонкой структуры

Благодаря вышеуказанным особенностям N. crassa оказалась очень полезной для изучения генетических событий, происходящих в отдельных мейозах. Зрелые аски от перитеция можно отделить на предметном стекле микроскопа и экспериментально манипулировать спорами. Эти исследования обычно включали отдельную культуру отдельных аскоспор, возникающих в результате одного мейоза, и определение генотипа каждой споры. Исследования такого типа, проведенные в нескольких различных лабораториях, установили явление «конверсии генов» (см., например, ссылки ).

В качестве примера феномена генной конверсии рассмотрим генетические скрещивания двух мутантных штаммов N. crassa, дефектных по гену pan-2 . Этот ген необходим для синтеза пантотеновой кислоты (витамина B5), и мутанты с дефектами по этому гену могут быть экспериментально идентифицированы по их потребности в пантотеновой кислоте в питательной среде. Две мутации pan-2 B5 и B3 расположены в разных сайтах гена pan-2 , так что скрещивание B5 ´ B3 дает рекомбинанты дикого типа с низкой частотой. Анализ 939 аск, в котором удалось определить генотипы всех продуктов мейоза (аскоспор), выявил 11 аск с исключительным характером сегрегации. В их число вошли шесть аск, в которых присутствовал один мейотический продукт дикого типа, но не было ожидаемого реципрокного продукта с двойным мутантом (B5B3). При этом в трех асках соотношение продуктов мейоза составляло 1В5:3В3, а не ожидаемое соотношение 2:2. Это исследование, а также многочисленные дополнительные исследования N. crassa и других грибов (под рецензией Whitehouse ), привело к обширной характеристике конверсии генов. Из этой работы стало ясно, что события генной конверсии возникают, когда событие молекулярной рекомбинации происходит вблизи изучаемых генетических маркеров (например, мутации pan-2 в приведенном выше примере). Таким образом, исследования конверсии генов позволили проникнуть в детали молекулярного механизма рекомбинации. За десятилетия, прошедшие с момента первых наблюдений Мэри Митчелл в 1955 г., была предложена последовательность молекулярных моделей рекомбинации, основанная как на новых генетических данных, полученных в результате исследований конверсии генов, так и на исследованиях реакционных способностей ДНК. Современное понимание молекулярного механизма рекомбинации обсуждается в статьях Википедии « Конверсия генов» и «Генетическая рекомбинация» . Понимание рекомбинации имеет отношение к нескольким фундаментальным биологическим проблемам, таким как роль рекомбинации и рекомбинационной репарации при раке (см. BRCA1 ) и адаптивная функция мейоза (см. Мейоз ).

Адаптивная функция типа спаривания

Тот факт, что спаривание у N. crassa может происходить только между штаммами разных типов спаривания, позволяет предположить, что в некоторой степени ауткроссинг благоприятствует естественному отбору. У гаплоидных многоклеточных грибов, таких как N. crassa , мейоз, протекающий в краткой диплоидной стадии, является одним из наиболее сложных процессов. Хотя физически гаплоидная многоклеточная вегетативная стадия намного крупнее диплоидной стадии, она обычно имеет простую модульную конструкцию с небольшой дифференциацией. У N. crassa в природных популяциях довольно часто встречаются рецессивные мутации, затрагивающие диплоидную стадию жизненного цикла. Эти мутации, когда они гомозиготны на диплоидной стадии, часто приводят к дефектам созревания спор или к образованию бесплодных плодовых тел с небольшим количеством аскоспор (половых спор). Большинство этих гомозиготных мутаций вызывают аномальный мейоз (например, нарушение спаривания хромосом или пахитену или диплотену). Число генов, влияющих на диплоидную стадию, оценивалось как минимум в 435. (около 4% от общего числа 9730 генов). Таким образом, ауткроссинг, которому способствует необходимость объединения противоположных типов спаривания, вероятно, дает преимущество маскировки рецессивных мутаций, которые в противном случае были бы вредны для образования половых спор (см. Комплементация (генетика) ).

Текущие исследования

Neurospora crassa — не только модельный организм для изучения фенотипических типов в нокаутных вариантах, но и особенно полезный организм, широко используемый в вычислительной биологии и циркадных часах . Естественный репродуктивный цикл составляет 22 часа, и на него влияют внешние факторы, такие как свет и температура. Нокаутные варианты N. crassa дикого типа широко изучаются с целью определения влияния тех или иных генов ( см. Частота (ген) ).

См. также

• Чарльз Янофски – американский генетик (1925–2018)
• Дэвид Перкинс – американский генетик
• Эдвард Татум – американский генетик
• Фактор транскрипции Fluffy - ген Neurospora crassa, необходимый для бесполого споруляции.
• Джордж Бидл – американский генетик
• Норман Горовиц – американский генетик
• Гипотеза «один ген – один фермент» - Теория в генетике
• Роберт Метценберг – американский генетик

Ссылки

• Перкинс, Д; Дэвис, Р. (декабрь 2000 г.), «Доказательства безопасности видов Neurospora для академического и коммерческого использования», Applied and Environmental Microbiology , vol. 66, нет. 12, стр. 5107–5109, Bibcode : 2000ApEnM..66.5107P , doi : 10.1128/aem.66.12.5107-5109.2000 , PMC   92429 , PMID   11097875 .
• Ошеров, Н; Мэй, GS (30 мая 2001 г.), «Молекулярные механизмы прорастания конидий», FEMS Microbiol Lett , vol. 199, нет. 2, стр. 153–60, doi : 10.1111/j.1574-6968.2001.tb10667.x , PMID   11377860
• Фрелих, AC; Нет, Б; Виерстра, Р.Д., Лорос Дж. и Данлэп Дж.К. (декабрь 2005 г.), «Генетический и молекулярный анализ фитохромов нитчатого гриба Neurospora crassa», Eukaryot Cell , vol. 4, нет. 12, стр. 2140–52, doi : 10.1128/ec.4.12.2140-2152.2005 , PMC   1317490 , PMID   16339731 {{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Горовиц, Нью-Хэмпшир (апрель 1991 г.), «Пятьдесят лет назад: революция нейроспоры» , Genetics , vol. 127, нет. 4, стр. 631–5, doi : 10.1093/genetics/127.4.631 , PMC   1204391 , PMID   1827628
• Горовиц, Нью-Хэмпшир; Берг, П; Сингер М., Ледерберг Дж., Сусман М., Добли Дж. и Кроу Дж.Ф. (январь 2004 г.), «Столетие: Джордж Бидл, 1903–1989» , Genetics , vol. 166, нет. 1, стр. 1–10, doi : 10.1534/genetics.166.1.1 , PMC   1470705 , PMID   15020400 {{citation}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
• Калди, К; Гонсалес, Б.Х.; Бруннер, М. (23 декабря 2005 г.), «Транскрипционная регуляция гена циркадных часов Neurospora wc-1 влияет на фазу циркадного выхода», EMBO Rep , vol. 7, нет. 2, стр. 199–204, doi : 10.1038/sj.embor.7400595 , PMC   1369249 , PMID   16374510
• Питталвала, Икбал (29 апреля 2003 г.), «Ученые Калифорнийского университета в Риверсайде вносят свой вклад в исследование, которое раскрывает последовательность генома хлебной плесени» , Отдел новостей (Калифорнийский университет, Риверсайд) .
• Руофф, П; Лорос, Джей-Джей; Данлэп, Дж.К. (6 декабря 2005 г.), «Взаимосвязь между стабильностью FRQ-белка и температурной компенсацией в циркадных часах Neurospora», Proc Natl Acad Sci USA , vol. 102, нет. 49, стр. 17681–6, Bibcode : 2005PNAS..10217681R , doi : 10.1073/pnas.0505137102 , PMC   1308891 , PMID   16314576

Внешние ссылки

• Neurospora crassa Геном [1]
• «Домашняя страница Neurospora» . Фондовый центр генетики грибов (FGSC) . Проверено 27 декабря 2005 г.
• «Сборник нейроспоры» . Фондовый центр генетики грибов (FGSC) . Проверено 27 декабря 2005 г.
• «Инициатива нейроспоро-грибкового генома» . Проект генома нейроспоры . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 12 июня 2015 г.
• «Инициатива Транс-NIH Neurospora» . Национальные институты здравоохранения (NIH — США) . Проверено 27 декабря 2005 г.
• [2] Монтенегро-Монтеро А. (2010) «Всемогущие грибы: революционная Neurospora crassa». Исторический взгляд на многочисленные вклады этого организма в молекулярную биологию.