Neurospora crassa -Neurospora crassa

Neurospora crassa
Neurospora crassahyphae.jpg
Научная классификация
Королевство:
Грибы
Тип:
Аскомикота
Подтип:
Пезизомикотина
Класс:
Сордариомицеты
Порядок:
Сордариалес
Семья:
Sordariaceae
Род:
Нейроспора
Разновидность:
N. crassa
Биномиальное имя
Neurospora crassa
Shear & BO Dodge

Neurospora crassa - это разновидность плесени для красного хлеба типа Ascomycota . Название рода, что по-гречески означает «нервная спора», относится к характерным бороздкам на спорах . Первое опубликованное сообщение об этом грибке было связано с заражением французских пекарен в 1843 году.

N. crassa используется в качестве модельного организма, потому что его легко выращивать и у него гаплоидный жизненный цикл, который упрощает генетический анализ, поскольку рецессивные признаки проявляются в потомстве. Анализ генетической рекомбинации облегчается упорядоченным расположением продуктов мейоза в аскоспорах Neurospora . Секвенирован весь его геном из семи хромосом.

Нейроспора 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 рентгеновскому излучению, вызвав мутации . Затем они наблюдали сбои в метаболических путях, вызванные ошибками в конкретных ферментах . Это привело их к выдвижению гипотезы «один ген, один фермент», согласно которой определенные гены кодируют определенные белки . Их гипотеза была позже развита Норманом Горовицем , также работающим над Neurospora, для ферментативных путей . 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 первым оружием в том, что стало молекулярной генетикой и всеми последующими разработками».

В 24 апреля 2003 года вопрос о природе , то геном из Н. сгазза было сообщено как полностью секвенировали . Геном имеет длину около 43 мегабаз и включает примерно 10 000 генов. Осуществляется проект по созданию штаммов, содержащих нокаут- мутанты каждого гена N. crassa .

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

Neurospora активно используется в исследованиях по всему миру. Это имеет важное значение в выяснении молекулярных событий , участвующих в циркадных ритмах, эпигенетике и молчании генов , клеточной полярности , слиянии клеток , развитие, а также многих аспектах клеточной биологии и биохимии.

Половой цикл

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

Половые плодовые тела (перитеции) могут образоваться только при слиянии 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 . Очевидных морфологических различий между штаммами типа А и а не наблюдается . 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 источником азота. По-видимому, азотное голодание необходимо для экспрессии генов, участвующих в половом развитии. Протоперитеций состоит из аскогониума, спиральной многоклеточной гифы, заключенной в узелковое скопление гиф. Разветвленная система тонких гиф, называемая трихогином, простирается от кончика аскогониума, выступая за покровные гифы в воздух. Половой цикл начинается (т.е. происходит оплодотворение), когда клетка (обычно конидий) противоположного типа спаривания контактирует с частью трихогина (см. Рисунок). За таким контактом может последовать слияние клеток, ведущее к одному или нескольким ядрам из оплодотворяющей клетки, мигрирующим вниз по трихогину в аскогониум. Поскольку оба штамма A и a имеют одинаковую половую структуру, ни один из штаммов не может считаться исключительно мужским или женским. Однако в качестве реципиента протоперитеций штаммов A и a можно рассматривать как женскую структуру, а оплодотворяющий конидий можно рассматривать как участника мужского пола.

Последующие шаги следующих слияния А и через гаплоидные клетки, были изложены Fincham и Днем и Вагнером и Митчелл. После слияния клеток дальнейшее слияние их ядер задерживается. Вместо этого ядро ​​оплодотворяющей клетки и ядро ​​аскогониума связываются и начинают синхронно делиться. Продукты этих ядерных делений (все еще в парах разного типа спаривания, т.е. A / a ) мигрируют в многочисленные аскогенные гифы, которые затем начинают расти из аскогониума. Каждый из этих ascogenous гиф изгибов , чтобы сформировать крюк (или Крозьер) на его конце и А и в пару гаплоидных ядер внутри Крозьер разрыва синхронно. Затем формируются перегородки, чтобы разделить жердь на три ячейки. Центральная клетка на кривой крюк содержит один A и один в ядро (рис). Эта биядерная клетка инициирует образование асков и называется «первичной аскусной» клеткой. Затем две одноядерные клетки по обе стороны от первой аскообразующей клетки сливаются друг с другом, образуя двухъядерную клетку, которая может расти, образуя еще одну клетку , которая затем может образовывать свою собственную начальную аскусную клетку. Затем этот процесс можно повторять несколько раз.

После образования ASCUS-исходной ячейки, то и ядро предохранителя друг с другом с образованием диплоидного ядра (рис). Это ядро ​​- единственное диплоидное ядро ​​во всем жизненном цикле N. crassa . Диплоидное ядро ​​состоит из 14 хромосом, образованных из двух слитых гаплоидных ядер, каждое из которых имеет по 7 хромосом. За образованием диплоидного ядра сразу следует мейоз . Два последовательных деления мейоза приводят к четырем гаплоидным ядрам, двум типу спаривания А и двум типу спаривания. Один дополнительный митотическое деление приводит к четырем А и четыре ядро в каждом аск. Мейоз является неотъемлемой частью жизненного цикла всех организмов, размножающихся половым путем, и в своих основных чертах мейоз у N. crassa кажется типичным для мейоза в целом.

По мере того, как происходят вышеуказанные события, мицелиальная оболочка, которая окружала аскогоний, развивается как стенка перитеция, пропитывается меланином и почернеет. Зрелый перитеций имеет колбовидное строение.

Зрелый перитеций может содержать до 300 асков, каждый из которых происходит из идентичных диплоидных ядер слияния. Обычно в природе, когда перитеции созревают, аскоспоры довольно сильно выбрасываются в воздух. Эти аскоспоры термостойки и в лаборатории требуют нагревания при 60 ° C в течение 30 минут, чтобы вызвать прорастание. У нормальных штаммов весь половой цикл занимает от 10 до 15 дней. В зрелом аске, содержащем восемь аскоспор, пары соседних спор идентичны по генетической конституции, поскольку последнее деление является митотическим, и поскольку аскоспоры содержатся в мешочке асков, который удерживает 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

Из-за вышеупомянутых особенностей 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 обработать спорами. Эти исследования обычно включали отдельную культуру отдельных аскоспор, полученных в результате одного мейотического события, и определение генотипа каждой споры. Исследования этого типа, проведенные в нескольких различных лабораториях, установили феномен «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, дефектные по этому гену, могут быть экспериментально идентифицированы по их потребности в пантотеновой кислоте в их питательной среде. Две мутации pan-2, B5 и B3, расположены в разных сайтах в гене pan-2 , так что скрещивание B5 ´ B3 дает рекомбинанты дикого типа с низкой частотой. Анализ 939 асков, в котором можно было определить генотипы всех продуктов мейоза (аскоспоры), обнаружил 11 асков с исключительной структурой сегрегации. Они включали шесть асков, в которых был один мейотический продукт дикого типа, но не было ожидаемого реципрокного продукта двойного мутанта (B5B3). Кроме того, в трех асках соотношение продуктов мейоза было 1B5: 3B3, а не в ожидаемом соотношении 2: 2. Это исследование, а также многочисленные дополнительные исследования N. crassa и других грибов (обзор Уайтхауса) привели к обширной характеристике конверсии генов. Из этой работы стало ясно, что события конверсии генов возникают, когда событие молекулярной рекомбинации происходит рядом с исследуемыми генетическими маркерами (например, мутации pan-2 в приведенном выше примере). Таким образом, исследования конверсии генов позволили понять детали молекулярного механизма рекомбинации. За десятилетия, прошедшие после первых наблюдений Мэри Митчелл в 1955 году, 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. Текущее 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 рекомбинационная репарация при раке (см. BRCA1 ) и адаптивная функция мейоза (см. Мейоз ).

Адаптивная функция типа вязки

То, что спаривание у N. crassa может происходить только между штаммами разного типа спаривания, предполагает, что естественный отбор способствует некоторой степени ауткроссинга. У гаплоидных многоклеточных грибов, таких как N. crassa , мейоз, протекающий на короткой диплоидной стадии, является одним из наиболее сложных процессов. Гаплоидная многоклеточная вегетативная стадия, хотя физически намного больше, чем диплоидная стадия, обычно имеет простую модульную конструкцию с небольшой дифференциацией. У N. crassa рецессивные мутации, влияющие на диплоидную стадию жизненного цикла, довольно часто встречаются в естественных популяциях. Эти мутации, когда они гомозиготны на диплоидной стадии, часто вызывают дефекты созревания спор или образование бесплодных плодовых тел с небольшим количеством аскоспор (половых спор). Большинство этих гомозиготных мутаций вызывают аномальный мейоз (например, нарушение спаривания хромосом или нарушение пахитены или диплотены). Число генов, влияющих на диплоидную стадию, оценивалось как минимум 435 (около 4% от общего числа 9730 генов). Таким образом, ауткроссинг, продвигаемый необходимостью объединения противоположных типов спаривания, вероятно, обеспечивает преимущество маскировки рецессивных мутаций, которые в противном случае были бы вредны для образования половых спор (см. Комплементация (генетика) ).

Текущее исследование

Neurospora crassa - это не только модельный организм для изучения фенотипических типов в нокаутированных вариантах, но и особенно полезный организм, широко используемый в вычислительной биологии и циркадных часах . Его 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 для определения влияния конкретных генов ( см. Частота (ген) ).

Смотрите также

Примечания и ссылки

использованная литература

внешние ссылки