Нейроспора красса: генетикалық зерттеулердегі маңызды модельді саңырауқұлақ

Кіріспе

Сордария тұқымдасының аскомицет саңырауқұлақтары.

Нейроспора красса – Ascomycota тобына жататын қызыл нан саңырауқұлағының бір түрі. Тұқым атауы грек тілінде «нерв спорасы» деген мағынаны білдіреді және споралардың ерекше жолақты құрылысына сілтеме жасайды. Бұл саңырауқұлақтың алғашқы жарияланған мәліметтері 1843 жылы француз нан пісіретін орындарында кездескен жұқпалы аурудан алынған. Нейроспора красса – үлгілік организм ретінде қолданылады, себебі оны өсіру оңай, ал гаплоидты өмірлік циклы генетикалық талдауды жеңілдетеді, өйткені рецессивті белгілер ұрпақта көрінеді. Нейроспора аскоспораларындағы мейоз өнімдерінің реттелген орналасуы генетикалық рекомбинацияны талдауды жеңілдетеді. Оның жеті хромосомадан тұратын геномдық тізбегі толығымен анықталған. Эдвард Татум мен Джордж Уэллс Бидл өздерінің эксперименттерінде Нейроспораны қолданды, осы еңбектері үшін 1958 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Бидл мен Татум N. crassa-ны рентген сәулелеріне ұшыратып, мутацияларды тудырды. Олар кейбір ферменттердің қателіктерінен туындаған метаболизм жолдарының бұзылуын байқады. Бұл оларды «бір ген – бір фермент» гипотезасын ұсынуға итермеледі, яғни әрбір ген белгілі бір белокты кодтайды. Бұл гипотезаны кейіннен Норман Хоровиц ферменттік жолдармен толықтырды, ол да Нейроспорада жұмыс істеді. Норман Хоровиц 2004 жылы еске алғандай: «Бұл тәжірибелер Бидл мен Татум «биохимиялық генетика» деп атаған ғылымның негізін қалады. Шындығында, олар молекулалық генетиканың және одан кейінгі барлық дамулардың бастамасы болды». Nature журналының 2003 жылғы 24 сәуірдегі санында N. crassa геномдарының толығымен тізбеленгені туралы хабарланды. Геномның ұзындығы шамамен 43 мегабазаға жетеді және шамамен 10 000 генді қамтиды. Қазіргі уақытта N. crassa генінің барлық нокаут мутанттарын қамтитын штаммдарды өндіру жобасы жүргізілуде. Табиғи ортада N. crassa негізінен тропикалық және субтропикалық аймақтарда тіршілік етеді. Оны өрттен кейін шіріген өсімдік қалдықтарында кездестіруге болады. Нейроспора бүкіл әлемде зерттеулерде белсенді түрде қолданылады. Ол циркадтық ырғақтар, эпигенетика және гендерді үндету, жасушалық полярлық, жасушалық бірігу, даму, сондай-ақ жасушалық биология мен биохимияның көптеген аспектілеріне қатысты молекулалық процестерді түсіндіруде маңызды рөл атқарады.

Neurospora crassa is a type of red bread mold of the phylum Ascomycota. The genus name, meaning 'nerve spore' in Greek, refers to the characteristic striations on the spores. The first published account of this fungus was from an infestation of French bakeries in 1843. Neurospora crassa is used as a model organism because it is easy to grow and has a haploid life cycle that makes genetic analysis simple since recessive traits will show up in the offspring. Analysis of genetic recombination is facilitated by the ordered arrangement of the products of meiosis in Neurospora ascospores. Its entire genome of seven chromosomes has been sequenced. Neurospora was used by Edward Tatum and George Wells Beadle in their experiments for which they won the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1958. Beadle and Tatum exposed N. crassa to x rays, causing mutations. They then observed failures in metabolic pathways caused by errors in specific enzymes. This led them to propose the "one gene, one enzyme" hypothesis that specific genes code for specific proteins. Their hypothesis was later elaborated to enzyme pathways by Norman Horowitz, also working on Neurospora. As Norman Horowitz reminisced in 2004, "These experiments founded the science of what Beadle and Tatum called 'biochemical genetics'. In actuality, they proved to be the opening gun in what became molecular genetics and all developments that have followed from that." In the 24 April 2003 issue of Nature, the genome of N. crassa was reported as completely sequenced. The genome is about 43 megabases long and includes approximately 10,000 genes. There is a project underway to produce strains containing knockout mutants of every N. crassa gene. In its natural environment, N. crassa lives mainly in tropical and sub tropical regions. It can be found growing on dead plant matter after fires. Neurospora is actively used in research around the world. It is important in the elucidation of molecular events involved in circadian rhythms, epigenetics and gene silencing, cell polarity, cell fusion, development, as well as many aspects of cell biology and biochemistry.

Жыныстық цикл

Жыныстық жеміс денелері (перитсея) екі түрлі жұптасу типіндегі мицелиялар біріккенде ғана пайда болады (суретті қараңыз). Басқа аскомицеттер сияқты, N. crassa-да екі жұптасу типі бар, олар осы жағдайда А және а арқылы белгіленеді. А және а жұптасу типіндегі штаммдар арасында көзге көрінетін морфологиялық айырмашылық жоқ. Екеуі де әйел репродуктивті құрылымын – протоперитецияны (суретті қараңыз) құрай алады. Протоперитециялар зертханада азоттың мөлшері салыстырмалы түрде аз қатты (агар) синтетикалық ортада өскенде оңай түзіледі. Азоттың жетіспеуі жыныстық дамуға қатысты гендердің экспрессиясы үшін қажет болып көрінеді. Протоперитеций аскогонийден тұрады, ол гифалардың түйін тәрізді жиынтығында орналасқан көпжасушалы гифа. Аскогонийдің ұшынан ауаға қарай созылатын, трихогина деп аталатын тармақталған, жіңішке гифалар жүйесі шығады. Жыныстық цикл (яғни ұрықтандыру) қарсы жұптасу типіндегі жасуша (әдетте конидия) трихогинаның бір бөлігімен жанасқанда басталады (суретті қараңыз). Мұндай жанасу клеткалық бірігуге алып келуі мүмкін, нәтижесінде ұрықтандыратын жасушадан бір немесе бірнеше ядро трихогина арқылы аскогонийге көшеді. А және а штаммдарының екеуі де бірдей жыныстық құрылымдарға ие болғандықтан, ешқайсысын толығымен еркек немесе әйел деп қарастыруға болмайды. Дегенмен, А және а штаммдарының протоперитециясын қабылдаушы ретінде әйел құрылымы ретінде қарастыруға болады, ал ұрықтандыратын конидияны еркек қатысушысы ретінде қарастыруға болады. А және а гаплоидты жасушаларының бірігуінен кейінгі келесі қадамдарды Финчам мен Дей, Вагнер мен Митчелл сипаттаған. Жасушалар біріккеннен кейін олардың ядроларының одан әрі бірігуі кешіктіріледі. Оның орнына, ұрықтандыратын жасушаның ядросы мен аскогонийдің ядросы бірігіп, синхронды түрде бөліне бастайды. Осы ядролық бөліністердің нәтижелері (әлі де әртүрлі жұптасу типіндегі жұптар түрінде, яғни А/а) көптеген аскогенді гифаларға көшіп, содан кейін аскогонийден өсе бастайды. Осы аскогенді гифалардың әрқайсысы ұшында иілген (немесе крозер) пішіндеседі және крозердегі А және а гаплоидты ядролар жұбы синхронды түрде бөлінеді. Содан кейін септалар пайда болып, крозерді үш жасушаға бөледі. Иілген бөліктің ортаңғы жасушасында бір А және бір а ядросы болады (суретті қараңыз). Бұл екі ядролы жасуша аскус түзілуін бастайды және «аскус бастапқы» жасушасы деп аталады. Содан кейін бірінші аскусты құрайтын жасушаның екі жағындағы екі ядросыз жасушалар бірігіп, одан әрі өсіп, өз аскус бастапқы жасушасын құра алатын екі ядролы жасушаны құрайды. Бұл процесс бірнеше рет қайталанады. Аскус бастапқы жасушасы пайда болғаннан кейін А және а ядролары бірігіп, диплоидты ядроны құрайды (суретті қараңыз). Бұл ядро N. crassa-ның өмірлік циклындағы жалғыз диплоидты ядро болып табылады. Диплоидты ядрода екі біріккен гаплоидты ядродан, әрқайсысында 7 хромосомадан 14 хромосома болады. Диплоидты ядроның пайда болуынан кейін мейоз жүреді. Мейоздың екі рет бөлінуі төрт гаплоидты ядроға алып келеді, олардың екеуі А жұптасу типіне, екеуі а жұптасу типіне жатады. Бір митоздық бөліну әр аскуста төрт А және төрт а ядросына алып келеді. Мейоз – барлық жыныстық жолмен көбейетін организмдердің өмірлік циклының маңызды бөлігі және оның негізгі ерекшеліктері бойынша N. crassa-дағы мейоз жалпы мейоздың типтік түрі болып көрінеді. Жоғарыда аталған оқиғалар орын алғанда, аскогонийді қоршап тұрған мицелий қабығы перитецийдің қабырғасы ретінде қалыптасады, меланинмен сіңіріледі және қара түске айналады. Ересекті перитецийдің пішіні құты тәрізді болады. Ересекті перитецийде әрқайсысы бірдей диплоидты ядролардан алынған 300-ге дейін аскус болуы мүмкін. Әдетте, табиғатта перитеция жетілгенде аскоспоралар ауаға өте күшті шығарылады. Бұл аскоспоралар жылуға төзімді және зертханада өскіндерді қозғау үшін 30 минут бойы 60 °C температурада қыздыруды қажет етеді. Қалыпты штаммдардың жыныстық циклы 10-15 күнге созылады. Сегіз аскоспорадан тұратын толысқан аскуста, жақын орналасқан споралардың жұптары генетикалық құрамы жағынан бірдей, өйткені соңғы бөліну митоздық және аскоспоралар мейоз кезінде ядролық сегрегация бағытымен анықталатын нақты тәртіппен аскос қабында сақталады. Төрт бастапқы өнімдер де қатар орналасқандықтан, генетикалық маркерлердің бірінші бөлініс сегрегациясының үлгісін екінші бөлініс сегрегациясының үлгісінен ажыратуға болады.

Sexual fruiting bodies (perithecia) can only be formed when two mycelia of different mating type come together (see Figure). Like other Ascomycetes, N. crassa has two mating types that, in this case, are symbolized by A and a. There is no evident morphological difference between the A and a mating type strains. Both can form abundant protoperithecia, the female reproductive structure (see Figure). Protoperithecia are formed most readily in the laboratory when growth occurs on solid (agar) synthetic medium with a relatively low source of nitrogen. Nitrogen starvation appears to be necessary for expression of genes involved in sexual development. The protoperithecium consists of an ascogonium, a coiled multicellular hypha that is enclosed in a knot like aggregation of hyphae. A branched system of slender hyphae, called the trichogyne, extends from the tip of the ascogonium projecting beyond the sheathing hyphae into the air. The sexual cycle is initiated (i. e. fertilization occurs) when a cell (usually a conidium) of opposite mating type contacts a part of the trichogyne (see Figure). Such contact can be followed by cell fusion leading to one or more nuclei from the fertilizing cell migrating down the trichogyne into the ascogonium. Since both A and a strains have the same sexual structures, neither strain can be regarded as exclusively male or female. However, as a recipient, the protoperithecium of both the A and a strains can be thought of as the female structure, and the fertilizing conidium can be thought of as the male participant. The subsequent steps following fusion of A and a haploid cells, have been outlined by Fincham and Day and Wagner and Mitchell. After fusion of the cells, the further fusion of their nuclei is delayed. Instead, a nucleus from the fertilizing cell and a nucleus from the ascogonium become associated and begin to divide synchronously. The products of these nuclear divisions (still in pairs of unlike mating type, i. e. A/a) migrate into numerous ascogenous hyphae, which then begin to grow out of the ascogonium. Each of these ascogenous hypha bends to form a hook (or crozier) at its tip and the A and a pair of haploid nuclei within the crozier divide synchronously. Next, septa form to divide the crozier into three cells. The central cell in the curve of the hook contains one A and one a nucleus (see Figure). This binuclear cell initiates ascus formation and is called an "ascus initial" cell. Next the two uninucleate cells on either side of the first ascus forming cell fuse with each other to form a binucleate cell that can grow to form a further crozier that can then form its own ascus initial cell. This process can then be repeated multiple times. After formation of the ascus initial cell, the A and a nucleus fuse with each other to form a diploid nucleus (see Figure). This nucleus is the only diploid nucleus in the entire life cycle of N. crassa. The diploid nucleus has 14 chromosomes formed from the two fused haploid nuclei that had 7 chromosomes each. Formation of the diploid nucleus is immediately followed by meiosis. The two sequential divisions of meiosis lead to four haploid nuclei, two of the A mating type and two of the a mating type. One further mitotic division leads to four A and four a nucleus in each ascus. Meiosis is an essential part of the life cycle of all sexually reproducing organisms, and in its main features, meiosis in N. crassa seems typical of meiosis generally. As the above events are occurring, the mycelial sheath that had enveloped the ascogonium develops as the wall of the perithecium, becomes impregnated with melanin, and blackens. The mature perithecium has a flask shaped structure. A mature perithecium may contain as many as 300 asci, each derived from identical fusion diploid nuclei. Ordinarily, in nature, when the perithecia mature the ascospores are ejected rather violently into the air. These ascospores are heat resistant and, in the lab, require heating at 60 °C for 30 minutes to induce germination. For normal strains, the entire sexual cycle takes 10 to 15 days. In a mature ascus containing eight ascospores, pairs of adjacent spores are identical in genetic constitution, since the last division is mitotic, and since the ascospores are contained in the ascus sac that holds them in a definite order determined by the direction of nuclear segregations during meiosis. Since the four primary products are also arranged in sequence, a first division segregation pattern of genetic markers can be distinguished from a second division segregation pattern.

Ұсақ құрылымды генетикалық талдау

Жоғарыда аталған ерекшеліктеріне байланысты N. crassa жеке мейоздарда жүретін генетикалық оқиғаларды зерттеу үшін өте пайдалы болып табылды. Перитециумнан алынған жетілген аскилерді микроскоптық слайдта бөліп, спораларды тәжірибелік түрде манипуляциялауға болады. Мұндай зерттеулер көбінесе бір мейоздық оқиғадан пайда болған жеке аскоспораларды бөлек өсіруді және әрбір спораның генотипін анықтауды қамтиды. Бірнеше әртүрлі зертханаларда жүргізілген зерттеулер «гендік конверсия» құбылысын анықтады (мысалы, сілтемелерді қараңыз). Гендік конверсия құбылысының мысалы ретінде, пан 2 генінде кемшіліктері бар екі N. crassa мутантты штаммының генетикалық гибридизациясын қарастырайық. Бұл ген пантотен қышқылын (В5 витаминін) синтездеу үшін қажет, ал бұл генде кемшіліктері бар мутанттарды олардың өсу ортасында пантотен қышқылының қажеттілігі арқылы тәжірибелік түрде анықтауға болады. B5 және B3 екі пан 2 мутациясы пан 2 генінің әртүрлі жерлерінде орналасқан, сондықтан B5 × B3 гибридизациясы төмен жиілікте жабайы типтегі рекомбинанттарды береді. ), гендік конверсияның кеңінен сипатталуына әкелді. Бұл жұмыстан гендік конверсия оқиғалары зерттеліп отырған генетикалық маркерлердің (мысалы, жоғарыдағы мысалдағы пан 2 мутациялары) жанында молекулалық рекомбинация оқиғасы орын алғанда пайда болатыны анық болды. Осылайша, гендік конверсияны зерттеу рекомбинацияның молекулалық механизмін егжей-тегжейлі түсінуге мүмкіндік берді. Мэри Митчеллдің 1955 жылғы алғашқы байқауларынан бері өткен ондаған жылдар ішінде, бұл мутациялар, диплоидтық сатыда гомозиготалық болғанда, көбінесе споралардың жетілмеуіне немесе аз аскоспоралары (жыныстық споралары) бар құр жеміс денелерін тудыруға себеп болады. Бұл гомозиготалық мутациялардың көпшілігі аномальды мейозға (мысалы, хромосомалардың жұптасуының бұзылуы немесе пахитен немесе диплотен) әкеледі. Диплоидтық сатыға әсер ететін гендер саны кем дегенде 435 (барлығы 9730 геннің шамамен 4%) деп бағаланды. Осылайша, қарама-қарсы жұптасу түрлерінің бірігу қажеттілігімен ынталандырылған ауткроссинг, әйтпесе жыныстық споралардың түзілуіне зиян келтіретін рецессивті мутацияларды жасырудың пайдасын ұсынады (Комплементация (генетика) қараңыз).

Because of the above features N. crassa was found to be very useful for the study of genetic events occurring in individual meioses. Mature asci from a perithecium can be separated on a microscope slide and the spores experimentally manipulated. These studies usually involved the separate culture of individual ascospores resulting from a single meiotic event and determining the genotype of each spore. Studies of this type, carried out in several different laboratories, established the phenomenon of "gene conversion" (e. g. see references). As an example of the gene conversion phenomenon, consider genetic crosses of two N. crassa mutant strains defective in gene pan 2. This gene is necessary for the synthesis of pantothenic acid (vitamin B5), and mutants defective in this gene can be experimentally identified by their requirement for pantothenic acid in their growth medium. The two pan 2 mutations B5 and B3 are located at different sites in the pan 2 gene, so that a cross of B5 ´ B3 yields wild type recombinants at low frequency. ), led to an extensive characterization of gene conversion. It became clear from this work that gene conversion events arise when a molecular recombination event happens to occur near the genetic markers under study (e. g. pan 2 mutations in the above example). Thus studies of gene conversion allowed insight into the details of the molecular mechanism of recombination. Over the decades since the original observations of Mary Mitchell in 1955, These mutations, when homozygous in the diploid stage, often cause spores to have maturation defects or to produce barren fruiting bodies with few ascospores (sexual spores). Most of these homozygous mutations cause abnormal meiosis (e. g., disturbed chromosome pairing or pachytene or diplotene). The number of genes affecting the diploid stage was estimated to be at least 435 (about 4% of the total number of 9,730 genes). Thus, outcrossing, promoted by the necessity for the union of opposite mating types, likely provides the benefit of masking recessive mutations that would otherwise be harmful to sexual spore formation (see Complementation (genetics)).

Қазіргі зерттеулер

Нейроспора красса – бұл нокаут варианттарындағы фенотиптік түрлерді зерттеу үшін ғана емес, сонымен қатар есептеу биологиясы және тәуліктік сағат салаларында кеңінен қолданылатын өте пайдалы организм. Оның табиғи көбею циклі 22 сағатқа созылады және ол жарық және температура сияқты сыртқы факторлардың ықпалына түседі. Жабайы типті N. crassa-ның нокаут варианттары белгілі бір гендердің әсерін анықтау мақсатымен кеңінен зерттеледі (геннің жиілігін қараңыз).