Neurospora (N. crassa) — modeļorganisms ģenētikā, genomā un bioloģijā

Neurospora (N. crassa) — klasiskā modeļsēne ģenētikā, genomikā un šūnu biologijā; sekvencēts genoms, nozīmīga loma gēnu funkciju, diennakts ritma un epigenētikas pētījumos.

Neurospora ir askomicētu sēņu ģints, kuras vispazīstamākā suga ir Neurospora crassa. N. crassa jau ilgstoši tiek izmantota kā modeļorganisms ģenētikā, molekulārajā bioloģijā un šūnu bioloģijā, jo tā ir viegli audzējama laboratorijas apstākļos un ļauj veikt precīzas ģenētiskās analīzes.

Bioloģiskās īpašības un dzīves cikls

N. crassa ir filamentosas sēnes ar haploīdu veģetatīvo stadiju, kas nozīmē, ka lielākā daļa tā dzīves cikla šūnu haploīdās hromosomas atvieglo recesīvo fenotipu atklāšanu pēcnācējos. Aseksuālā formā tā veido konīdijām līdzīgas sporās (konīdijas), savukārt seksualitātes stadijā rodas periteciji (apaļas augļķermeņu struktūras), kuros veidojas aski ar kārtotu meiotisko produktu izkārtojumu — askosporām. Šis sakārtotais meiotisko produktu izkārtojums ļauj ļoti precīzi sekot ģenētiskajai rekombinācijai un kartēt gēnus.

N. crassa ir heterotaliska suga ar diviem dominējošajiem dzimumtipiem (mating types), kas laboratorijā tiek apzīmēti kā A un a. Sēne aug ātri uz vienkārša barotnes medija (piemēram, Vogel's minimal medium) un spēj kolonizēt oglekļa bagātas augu atliekas; naturālos apstākļos to bieži atrada pēc mežu ugunsgrēkiem tropu un subtropu reģionos.

Vēsturiskā nozīme: Beadle un Tatum

N. crassa spēlēja izšķirošu lomu klasīskajā ģenētikā — Edvards Tatums un Džordža Velsa Bīdela pakļāva šo sēni rentgena stariem, izraisot mutācijas, un izpētīja to ietekmi uz metaboliskajiem ceļiem. Viņu eksperimenti parādīja, ka noteiktas ģenētiskās izmaiņas izraisa specifiskas fermentu darbības zudumu, kas noveda pie slavenās hipotēzes "viens gēns — viens enzīms". Par šo darbu Beadl un Tatums saņēma Nobela prēmiju fizioloģijā vai medicīnā 1958. gadā. Šo pieeju vēlāk papildināja Normans Horovics, kurš arī strādāja ar Neurospora.

Genoms un molekulārās resursi

Žurnāla Nature 2003. gada 24. aprīļa numurā tika ziņots, ka N. crassa genoms ir pilnībā sekvenēts. Tā sekvence aptuveni 43 megabāzes garumā, izvietota uz septiņām hromosomām, un tajā ir ~10 000 prognozēti gēni. Pēc genomsekvencēšanas ir izveidoti dažādi resursi — anotācijas, ekspresijas dati un mutantu kolekcijas —, kuru mērķis ir pilnībā noskaidrot katra gēna funkciju. Pašlaik tiek īstenots projekts, kura mērķis ir radīt celmus, kas satur visu N. crassa gēnu mutantus.

Svarīgs atbalsts pētījumiem ir pieejamība: šķirnes, mutantu librārijas un citi materiāli, tostarp standartstrānas un ģenētiskie rīki, ir pieejami Sēnīšu ģenētikas krājumu centrā (Fungal Genetics Stock Center, FGSC) un citos krājumos, kas nodrošina reproducējamību un to, ka atklājumi ir plaši pieejami zinātniskai kopienai.

Pētījumu jomas un nozīme mūsdienās

N. crassa paliek svarīgs pētījumu objekts daudzās bioloģijas jomās:

• Diennakts ritma molekulārie mehānismi — N. crassa ir bijis atslēgas organisms, kas palīdzēja atklāt pulksteņa gēnu (piem., period/FRQ) darbību un regulāciju.
• Epigenētika un gēnu slāpēšana (RNAi) — šī sēne kalpo par modeli, lai izpētītu hromatīna modifikācijas, silencing mehānismus un to ietekmi uz genomu stabilitāti.
• Šūnu polaritāte, augšana un šūnu saplūšana — filamentozā augšana, septācijas mehānismi un šūnu sienas bioloģija ir viegli pētāmas uz šī modeļa.
• Attīstība un diferenciācija — sexuālo un asexuālo struktūru veidošanās, sporu veidošanās un signālceļi, kas regulē attīstību.
• Metabolisma ceļu un enzīmu funkciju kartēšana — turpinot Beadle un Tatum tradīciju, N. crassa izmanto, lai saistītu ģenētiskos elementus ar konkrētām bioķīmiskām funkcijām.

Praktiskā nozīme un laboratorijas izmantošana

Līdz ar genomikas un molekulāro rīku attīstību N. crassa studijas ir kļuvušas vēl produktīvākas. Laboratorijās izmanto mutagēzi, ģenētiskas manipulācijas, transgēno izteiksmi, CRISPR/Cas sistēmas un plašu fenotipisku skrīningu. Īpaši ērti ir tas, ka N. crassa viegli audzējama uz vienkārša substrāta, ātri reproducējas un ļauj strādāt ar gan aseksuālām, gan seksuālām stadijām.

Kopsavilkums

Neurospora crassa ir daudzpusīgs modelis, kas sniedz dziļas zināšanas par ģenētikas, molekulārās un šūnu bioloģijas pamatprincipiem. No tās izrietējušie atklājumi — sākot no "viens gēns — viens enzīms" hipotēzes līdz mūsdienu genomikai un ritma bioloģijai — turpina ietekmēt bioloģisko zinātņu attīstību, un pieejamie materiāli un genomikas resursi ļauj pētīt gandrīz jebkuru šūnu līmeņa procesu.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Neurospora?

J: Kad pirmo reizi tika publicēta informācija par šo sēni?

J: Kāpēc N. crassa izmanto kā modeļorganismu?

J: Kādu balvu ieguva Edvards Tatums un Džordžs Velss Bīdls par eksperimentiem ar N. crassa?

J: Cik garš ir tās genoms?

J: Kādu projektu zinātnieki īsteno saistībā ar N. crassa?

J: Kādā vidē Neurospora var dabiski augt?

Meklēt pēc burta