XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Нейроспора густая (лат. Neurospora crassa) — вид мицелиальных грибов отдела аскомицетов, более известный как красная хлебная плесень. Она является многоклеточным грибом, её вегетативное тело состоит из нитей (гифов), переплетение которых образует мицелий. Клетки гриба многоядерны, и их ядра гаплоидны. В качестве экспериментального организма нитчатый гриб впервые предложен Доджем (Dodge) в конце 1920-х годов. В генетических исследованиях нейроспора появилась в 40-х гг. нашего столетия, и до сих пор не уступает в актуальности использования в данной сфере таким распространённым объектам, как Drosophilamelanogaster, дрожжи Saccharomyces cerevisiae [2].

Как генетический объект исследования N. crassa имеет ряд преимуществ. Во-первых, Neurospora crassa способна производить гаплоидные споры бесполым путем. Эти споры идентичны и имеют только один набор хромосом. Поэтому они имеют только один аллель для каждой характеристики. Это означает, что рецессивная мутация не маскируется доминантным аллелем.

Во-вторых, это гриб. С одной стороны, его биология сходна с биологией животных, так как он не синтезирует самостоятельно питательные вещества, а потребляет их в готовом виде, то есть является сапротрофом. С другой стороны, его биология сходна с биологией растений, так как он обладает клеточный стенкой, обеспечивающей прочность и целостность его клеток. Из описанных сходств можно заключить, что некоторые важные открытия в биологии данного организма могут пролить свет и на особенности биологии, как животных, так и растений.

В-третьих, данный организм достаточно удобен для экспериментов, так как легко его обеспечить всеми необходимыми питательными веществами, а также хранить его культуры. Нейроспора может расти на культуральной среде, называемой минимальной средой, которая содержит сахар, источник азота, минеральные ионы и витамин биотин. Гриб может синтезировать все другие углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты, в которых он нуждается, используя ферменты, вырабатываемые его клетками. А также данный модельный объект по сравнению с мышами или плодовыми мушками, облегчает наблюдение в ходе эксперимента, потому что он ограниченно подвижен.

В-четвертых, N. crassa обладает невероятно быстрым ростом. В оптимальных условиях мицелий способен расти со скоростью приблизительно 3 мм/ч, что значительно сокращает сроки проведения эксперимента.

Изучение плесени красного хлеба, которая заражала французские пекарни почти два столетия назад, привело к множеству открытий, которые повлияли на наше понимание генетических и молекулярных механизмов регулирующих жизнедеятельность организмов. Так нейроспора использовалась в экспериментах Э. Тейтума и Дж. Бидла по изучению генетического контроля процессов метаболизма. Вызванные рентгеновским облучением мутации приводили к изменению структуры генов и легко выявлялись по нарушениям отдельных биохимических реакций. Это привело исследователей к гипотезе «Один ген — один фермент» и представлению о том, что каждый ген кодирует определённый белок [1].

Neurospora crassa имеет аскоспоры (продукты мейоза) располагающиеся в аске (сумка) линейно, а направление расхождения хромосом совпадает с длинной осью аска. Это мейотическое свойство гаплоидного гриба послужило превосходной моделью для применения тетрадного анализа и позволило сделать ключевые открытия в области генетической рекомбинации, включая сегрегацию 1-го и 2-го мейоза, и то, что кроссоверы происходят на стадии 4-х хроматид. Характерный упорядоченный аскус был использован для исследования частоты расщепления 2-го деления, что послужило основой для картирования хромосомного центромера. Кроме того, линейный аск был важен при определении того, что кроссоверы могут включать две, три или все четыре хроматиды. Полный тетрадный анализ с помощью случайного исследования спор позволил классифицировать группы сцепления и генетическое картирование во всех семи группах сцепления N. crassa, а также открытие конверсии генов [5].

Примерно в то же время, когда были идентифицированы семь групп сцепления, хромосомы нейроспоры были визуализированы с помощью цитогенетической световой микроскопии, в результате чего поведение хромосом в стадии мейоза оказалось аналогичным высшим эукариотам. Нейроспора еще раз доказала, что является ценным объектом в генетических исследованиях в качестве гаплоидного микроба с низким числом хромосом и, что наиболее важно, с коротким жизненным циклом, который позволяет выживать всем мейотическим продуктам.

Популяции N. crassa обладают высокой генетической изменчивостью, так с использованием различных мутантов нейроспоры были сделаны крупные открытия в генетике. Одно из них выполнено в лаборатории Э. Селкера в 1987 г. Были обнаружены уникальные для грибов специфические RIP-мутации (от англ. repeat-induced роint), затрагивающие гены в удвоенных сегментах ДНК перед началом мейоза. Важно заметить, что существование такого рода мутаций - важный защитный механизм генома эукариот.

Вершиной же генетических исследований N. crassa, конечно же, стала расшифровка генома этого организма, законченная в 2003 г. совместными усилиями более 70 ученых. Установлено, что семь хромосом гриба содержат около 10 тыс. генов. Это в два раза больше, чем у дрожжей Schizosaccharomyces pombe и лишь на четверть меньше, чем у плодовой мушки дрозофилы. Кроме того, выяснилось, что RIP-мутации могут оказывать существенное влияние на эволюцию генома, резко замедляя появление новых генов и приводя к образованию генома с необычно низким содержанием близкородственных генов [3].

Одним из последних исследований в области генетики с применением N. Crassa как модельного объекта является работа Daskalov A., Gladieux P. at all. Ученые изучили процесс аллораспознавания, который играет ключевую роль в качестве защитного механизма, ограничивая эксплуатацию генома, использование ресурсов и распространение вредных стареющих плазмид и миковирусов. Хотя раньше были описаны ряд систем несовместимости, которые функционируют в зрелых гифах, но меньше известно о путях запрограммированной гибели клеток (ПКГ) в бесполых спорах, которые представляют основную единицу размножения у различных патогенных грибов для человека и растений. В данной работе был идентифицирован ген-регулятор гибели клеток (Rcd-1), контролирующий ПКГ в прорастающих бесполых спорах Neurospora crassa. Данный ген rcd-1 является одним из наиболее полиморфных генов в геномах изолятов N. crassa. Совместная экспрессия двух антагонистических аллелей rcd-1-1 и rcd-1-2 необходима и достаточна для запуска гибели клеток в слитых зародышах. Основываясь на анализе популяций N. crassa и N. discreta, был сделан вывод о том, что аллели rcd-1 имеют механизм сбалансированного отбора и связаны с трансвидовыми полиморфизмами. Исследователи внесли ясность в геномные перестройки, которые могли бы привести к появлению несовместимости в нейроспоре и показали, что rcd-1 принадлежит большему семейству генов у грибов. В целом, данная работа способствует лучшему пониманию аллораспознавания и ПКГ на недостаточно изученной стадии бесполого развития нитчатых грибов [4].

Таким образом, Neurospora crassa продолжает оставаться значимым модельным объектом для генетических исследований, так как его использование объясняется довольно простой структурой организации, легкостью и быстротой культивирования в лабораторных условиях, позволяющей за короткое время исследовать несколько поколений.

Список использованной литературы:

1. Горленко М.В. Жизнь растений. В 6-ти тт. Т. 2. Грибы // Под ред. проф. М. В. Горленко. — М.: Просвещение, 1976. — С. 146—147.

2. Мюллер Э., Лёффлер В. Микология: Пер. с нем.— М.: Мир, 1995.

3. Филиппович С. Ю., Бачурина Г. П., Крицкий М. С. Супермодель нейроспора // Природа. – 2004. – №. 3. – С. 49-54.

4. Daskalov A. et al. Programmed Cell Death in Neurospora crassa Is Controlled by the Allorecognition Determinant rcd-1 // Genetics. – 2019.

5. Roche C. M. et al. Neurospora crassa: looking back and looking forward at a model microbe // American journal of botany. – 2014.