Нейроспо́ра густа́я (лат. Neurospora crassa) — вид мицелиальных грибов отдела аскомицетов. Один из наиболее популярных объектов генетики.
Содержание
Биологические особенности
Род Neurospora («красная хлебная плесень») относится к группе пиреномицетов. Мицелий густой, обильно ветвящийся. Клеточная стенка в молодых гифах толщиной чуть больше 100 нм, трёхслойная (β-1,3→1,6-глюкановый, белково-хитиновый, белковый слои). Клетки гиф всегда одноядерные.
Жизненный цикл гаплофазный. Преобладает конидиальное («бесполое») спороношение. На гифах развиваются микроконидии и артроконидии, скопления ярко окрашенных (розовых или оранжевых) конидий. Название Neurospora род получил из-за характерной исчерченности на спорах, напоминающей нервные волокна (греч. νευρων — «жилка»).
Плодовые тела — перитеции, светло окрашенные; иногда недоразвиты (склероции). В сумках аскоспоры располагаются линейно по 8: после мейоза обычно происходит ещё одно (митотическое) деление (у нейроспоры четырёхспоровой Neurospora tetraspora — нет).
В природе среди видов нейроспоры преобладают почвенные (N. crassa встречается главным образом в тропиках и субтропиках). Отличаются термоустойчивостью, в связи с чем их можно обнаружить на обгоревших растениях после пожаров, а также в плохо пропечённом хлебе.
Использование в генетических исследованиях
Neurospora crassa известна как модельный организм генетических исследований, так как она быстро растёт на минимальной среде и имеет гаплоидный жизненный цикл. Генетический анализ в этом случае оказывается простым, так как рецессивные черты проявляются в первом же поколении. Геном нейроспоры — семь хромосом (групп сцепления).
На N. crassa впервые было непосредственно доказано, что менделевское расщепление признаков — закономерный результат мейоза, а не статистическая закономерность. Линейное расположение мейоспор в аске позволяет определить результаты кроссинговера непосредственно по гаплоидным продуктам. (См. Тетрадный анализ.)
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. В 1958 году Бидл и Тейтум получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
В составе ДНК доля пар Г+Ц — 52—55 %. Доля кодирующих (неповторяющихся) последователей — 90 % генома. К 2003 году геном N. crassa был полностью секвенирован. Он составляет 43 млн пар оснований и содержит около 10 000 генов.
Микроскопический жароустойчивый гриб оказался чемпионом мутаций
Жизненный цикл нейроспоры
Chaya5260 / Wikimedia Commons
Скорость накопления мутаций у гриба нейроспоры густой (Neurospora crassa) оказалась на два порядка выше, чем у любого клеточного организма, сообщается в BMC Genome Biology. 96–98 процентов мутаций связаны с мобильными генетическими элементами. Однако механизм их появления изначально был связан с повторами участков ДНК, которые могут возникнуть при половом размножении, поэтому собственные гены нейроспоры тоже часто мутируют — и это не всегда идет организму во благо.
Нейроспора густая (Neurospora crassa; часто ее называют просто нейроспорой ) — широко распространенный микроскопический гриб из группы аскомицет. Гриб выживает на бедных питательными веществами средах, а его аскоспоры (споры полового размножения) прорастают, если хотя бы час проведут при температуре 65 градусов Цельсия — клетки других организмов при такой температуре погибают. По этой причине нейроспоры часто заселяют культуры различных бактерий и грибов, и микробиологи долго не могут их оттуда вывести.
С другой стороны, особенности размножения N. crassa делают его удобным объектом для генетиков: это гаплоидный организм (то есть каждый ген в норме представлен одной копией), он охотно размножается бесполым путем (при этом потомки в теории не отличаются от родителей), но при недостатке некоторых питательных веществ переходит к половому размножению. В этом случае часть клеток делится, ДНК из одноименных хромосом, а у нейроспоры их 7, обмениваются сходными участками, в итоге образуется обычно 8 аскоспор. Они лежат в аске (сумке) друг за другом, а поскольку нейроспора представляет собой нити толщиной в одну клетку, легко проследить, куда какая аскоспора перемещается в ходе формирования.
Если при рекомбинации на одной хромосоме оказывается пара одинаковых фрагментов ДНК, нейроспора инициирует мутации в обоих таких фрагментах и тем самым нейтрализует их. Это называется repeat-induced point (RIP) mutation — точечные мутации, индуцируемые повторами. Кроме генов собственно нейроспоры с помощью таких мутаций можно было бы расправляться с мобильными генетическими элементами (МГЭ) — участками ДНК, способными перемещаться по геному (и даже передаваться от одного организма другому) и тем самым порой выводить из строя обычные гены. Но до сих пор не было известно, пользуется ли нейроспора RIP-мутациями, чтобы избавиться от мобильных генетических элементов.
Генетики из Нанкинского университета под руководством Сыхай Яна (Sihai Yang) в сотрудничестве с Лоуренсом Херстом (Laurence Hurst) из Университета Бата решили выяснить это путем скрещиваний нейроспор 5 линий и секвенирования геномов родительских организмов и их потомков. Всего прочли геномы 273 аскоспор. Среднее покрытие (число раз, которое один нуклеотид генома попал в какой-нибудь фрагмент последнего) при этом составило 37, удалось восстановить 96–97 процентов последовательностей ДНК каждой отдельной аскоспоры. Исследователи смотрели, какие участки ДНК мутируют от поколения к поколению: собственные гены нейроспоры или же мобильные генетические элементы. Также они измеряли мутационный груз — количество изменений ДНК, которые потенциально снижают приспособленность организма.
Схема эксперимента: бесполое и половое размножение нейроспор с разными типами половой совместимости (mat-A, mat-a), их скрещивания и генетические различия между спорами
Бывшие роды Геласиноспора и Нейроспора тесно связаны и не разрешаются как монофилетические группы, [3] таким образом, прежний род в настоящее время включен в Нейроспора. [2]
Как модельные организмы
Нейроспора широко используется в генетике как модельный организм (особенно N. crassa) потому что быстро размножается, легко культивируется, [4] и может выжить на минимальные медиа (неорганический соли, глюкоза, вода и биотин в агар).
Исследования с Нейроспора публикуется раз в полгода на Neurospora Встреча в Асиломар, Калифорния, координируется Фондовый центр грибковой генетики. Мутантные и штаммы дикого типа Нейроспора доступны в FGSC. FGSC также публикует Отчеты о грибковой генетике.
Важные люди в Нейроспора исследование:
Половое размножение
У гетероталлических видов Neurospora crassaвзаимодействие гаплоидных штаммов противоположного типа спаривания необходимо для возникновения полового размножения и образования аскоспор путем мейоза. Затем аскоспоры восстанавливают гаплоидных особей любого типа спаривания. Таким образом, фаза жизненного цикла преимущественно гаплоидная, однако при спаривании ядра не сразу сливаются: кариогамия откладывается до самого начала мейоза. Образовавшийся мицелий называется гетерокарион, и не является ни диплоидным, ни гаплоидным. Род Нейроспора также включает гомоталлические виды, у которых один гаплоидный индивидуум несет оба локуса типа спаривания и может подвергаться самооплодотворению, ведущему к мейозу и половому размножению. Neurospora africana является примером такого вида. [11] [12] Кроме того, некоторые виды Neurospora считаются псевдогомоталлическими. Они несут оба типа спаривания, но в разных ядрах одного и того же человека. Два гаплоидных ядра, происходящие из одного мейоза, упакованы в одну аскоспору. [13] Таким образом, индивид постоянно гетерокариотичен. Примеры этой системы спаривания включают «Neurospora tetrasperma» и «Neurospora tetraspora». Поскольку гетероталлические виды обязательно подвергаются некоторой степени ауткроссинга, они могут получить выгоду от более высокой эффективности отбора из-за более высоких эффективных скоростей рекомбинации. Напротив, псевдогомоталлические и гомоталлические виды не скрещиваются (или редко) и не получают этих преимуществ: у гомоталлических видов сниженная эффективность отрицательный выбор был показан. [14] Однако как гетеро-, так и псевдогомоталлические виды выигрывают от маскировки вредных рецессивных аллелей в гетерокариотической фазе. Кроме того, все виды получают преимущества мейоза, которые включают удаление вызванных стрессом повреждений ДНК путем гомологичной рекомбинационной репарации и образование стрессоустойчивых аскоспор.
Спастись от клеток-читеров помогает только изоляция
Недружественный союз
Организм многоклеточного животного только на первый взгляд может показаться идеальным «государством», состоящим из законопослушных «граждан»-клеток. Несмотря на то, что большинство клеток заключили «общественный договор» и следуют ему, объединившись в ткани и органы, между ними продолжается скрытая война всех против всех: если одна клетка получает шанс захватить больше питательных веществ, пространства или факторов роста, чем другая — она не преминет этим воспользоваться.
Конкуренцию между отдельными клетками можно заметить в самых разных ситуациях. Так, эмбриональные стволовые клетки в зародыше мыши подавляют обмен веществ у тех членов своего сообщества, которые сильнее склонны к апоптозу (у которых активировано больше молекул белка р53) — и тем самым их убивают (S. Bowling et al., 2018. P53 and mTOR signalling determine fitness selection through cell competition during early mouse embryonic development; G. Zhang et al., 2017. p53 pathway is involved in cell competition during mouse embryogenesis).
Да и во взрослом организме клетки продолжают выживать слабых соседей из ткани (N. Liu et al., 2019. Stem cell competition orchestrates skin homeostasis and ageing). Например, чтобы стволовая клетка могла удержаться в базальном слое кожного эпителия, ей необходимо производить коллаген XVI, за который, собственно, она и цепляется. Как только клетка «слабеет» (то есть по какой-то причине теряет способность синтезировать коллаген в высокой концентрации), то слабеет и ее хватка, и ее становится проще оторвать от опоры. В этот момент более мощные соседи делятся, и их потомки занимают место «слабака» на базальной мембране, а проигравшая стволовая клетка начинает дифференцироваться в клетку кожи — и, как положено клеткам кожи, быстро умирает и слущивается с поверхности. Это приводит к тому, что с возрастом генетическое микроразнообразие в ткани снижается, поскольку кожа заполняется потомками нескольких самых мощных клеточных клонов (рис. 2). Обычно это не очень хорошо для ткани: если эти клоны несут в себе какую-нибудь неблагоприятную мутацию, то с возрастом заменить их становится некем.
Рис. 2. Клеточная конкуренция в коже млекопитающих. Потомки клеток, которые производят немного коллагена XVII (желтый и синий клоны) с возрастом постепенно уходят из кожи, а клон-победитель (розовый) занимает ее целиком, отчего в ткани снижается разнообразие. Изображение из статьи N. Liu et al., 2019. Stem cell competition orchestrates skin homeostasis and ageing
Тем не менее, сама по себе конкуренция — не только неизбежный, но и небесполезный механизм. Она позволяет буквально подтолкнуть падающего и поскорее избавить ткань от нефункционального балласта. А в некоторых случаях даже помогает вылечиться от болезни. Известно, что так бывает с буллезным эпидермолизом — заболеванием, при котором ген коллагена XVII поврежден, а клетки базального слоя отрываются от подложки слишком легко. Люди с такой мутацией страдают от постоянных проблем с кожей, которая «слезает» с тела от малейших прикосновений. Однако у некоторых больных кожа способна к «самоисцелению»: в отдельных клетках возникает новая мутация, которая корректирует предыдущую, и такие клетки начинают выигрывать конкуренцию у своих нездоровых соседей (A. Pasmooij et al., 2012. Natural gene therapy may occur in all patients with generalized non-Herlitz junctional epidermolysis bullosa with COL17A1 mutations).
Паразиты на древе жизни
Таким образом, клеточная конкуренция оказывается палкой о двух концах. С одной стороны, это безусловно ценный механизм, который позволяет формировать ткань из более крепких и здоровых клеток. С другой стороны — лазейка для паразитов. Утверждая право сильнейшего, не стоит ожидать, что все, кто им воспользуется, будут делать это на благо сообщества. Так, в тканях многоклеточных животных накапливаются неблагонадежные клоны или опухолевые клетки, а добропорядочные соседи не всегда могут этому противостоять.
Не стоит, впрочем, думать, что эта проблема уникальна для животных тканей. Ту же самую ситуацию можно было бы рассматривать и на уровне животных сообществ (см. Межгрупповые войны — причина альтруизма?, «Элементы», 05.06.2009), где тоже встречаются свои альтруисты (которые живут по правилам) и свои обманщики (которые ставят личную выгоду выше общественной). То же можно наблюдать и внутри популяции бактерий (см. Альтруисты процветают благодаря статистическому парадоксу, «Элементы», 16.01.2009).
Конкуренция (в том числе и среди родственников) — одно из фундаментальных свойств живого, пронизывающее все уровни организации, от генов до сообществ. Однако, чтобы лучше понимать, как она устроена внутри нашего тела, полезно посмотреть на ее проявления внутри других многоклеточных организмов. У животных она встречается очень часто и устроена примерно одинаково: сам феномен конкуренции на клеточном уровне впервые обнаружили в зародышах мух (G. Morata, P. Ripoll, 1975. Minutes: Mutants of Drosophila autonomously affecting cell division rate), прежде чем найти его у мышей. Да и рак среди многоклеточных животных описан почти во всех таксонах (C. A. Aktipis et al., 2015. Cancer across the tree of life: cooperation and cheating in multicellularity). Растения, как считается, подвержены внутреннему паразитизму в меньшей степени, — поскольку паразиту полезно быть подвижным, чтобы захватывать территорию, а клетки растений статичны и заключены в прочные стенки, которые не так-то просто сдвинуть с места. Зато ожесточенные схватки разыгрываются в организмах других многоклеточных существ — грибов.
Анатомия хитрости
Neurospora crassa — один из самых изученных грибов на свете. Еще в середине XX века с ней работали будущие Нобелевские лауреаты Джордж Бидл и Эдуард Тейтем, которые вывели принцип «один ген — один белок». А в самом начале XXI века ее геном отсеквенировали, и работать с ней стало еще проще — теперь для каждого фенотипа несложно вычислить ответственные за него гены.
Нейроспору называют хлебной плесенью, потому что впервые нашли во французских пекарнях. Но в природе она может жить и на разлагающейся древесине, которая, например, остается на пожарищах. Она может размножаться половым путем (рис. 3), но для расселения предпочитает бесполый. При этом над ее телом, состоящим из гиф — ветвящихся многоклеточных и многоядерных нитей, — поднимаются особенные, воздушные гифы. А на них формируются многоядерные клетки — споры, которые затем разлетаются по окрестностям и, попав на подходящий субстрат, прорастают в новые многоклеточные нити.
Рис. 3. Половые споры Neurospora crassa имеют характерные полоски, которые напоминают нервные волокна и дали название этому роду грибов. Изображение с сайта fgsc.net
Однако производство спор и воздушных гиф — процесс затратный, и его успех зависит от того, сколько ресурсов есть у всего скопления нитей, то есть мицелия. Поэтому отдельным мицелиям выгодно сливаться друг с другом — так выше шанс, что объединенных запасов энергии хватит на более эффективное расселение (E. Bastiaans et al., 2015. Experimental demonstration of the benefits of somatic fusion and the consequences for allorecognition). По крайней мере, после успешных слияний на мицелии нейроспоры образуется больше спор. Это становится возможным, потому что перегородки между клетками в гифе у нейроспоры неполные — а значит, питательные вещества и даже целые ядра могут мигрировать в нити, из которых позже сформируются споры.
Но там, где есть кооперация, рано или поздно появляются читеры (от англ. to cheat — обманывать) — те, кто играет не по правилам (E. Bastiaans et al., 2016. Experimental evolution reveals that high relatedness protects multicellular cooperation from cheaters). Сами по себе гифы читеров не особенно плодовиты и образуют меньше спор, чем обычный мицелий. Более того, если читер сливается с мицелием добропорядочного гриба, спор у такого союза получается меньше ожидаемого. Зато ядер-читеров среди этих спор оказывается непропорционально много — они мигрируют по нитям в сторону образующихся воздушных гиф. Получается, что в этой ситуации конкурируют друг с другом не особи или клетки (как это бывает у животных), а отдельные ядра нейроспоры.
В экспериментах, когда популяции нейроспоры давали беспрепятственно расти, читеры возникали несколько раз независимо друг от друга. И когда исследователи отсеквенировали их геном, то заметили, что из восьми линий читеров шесть приобрели мутацию (чаще с потерей функции) в одном и том же гене — soft (so). За что именно отвечает этот ген внутри клетки, до сих пор непонятно, однако нейроспоры без гена so гораздо реже обычного сливаются с соседними гифами и образуют меньше спор. Еще две линии читеров несли мутации в других генах — ham-5 и ham-8, про которые тоже известно, что их белковые продукты участвуют в слиянии нитей гриба.
Логично было предположить, что из гиф с полной делецией по гену so тоже получатся читеры. И действительно, оказалось, что нейроспоры с удаленным so ведут себя тем же образом: чем больше их доля в популяции, тем меньше спор эта популяция производит (рис. 4). Но при этом они имеют преимущество перед диким типом — но только если их в культуре до 30 процентов. Так удаление одного-единственного гена делает нейроспору неблагонадежным членом сообщества этих грибов.
Рис. 4. Относительный успех мутанта без гена so (слева) и количество спор, которые производит популяция (справа) в зависимости от доли этого мутанта в составе популяции. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Однако неспособность сливаться с другими гифами — не самое удобное качество для читера. Ведь если слияния не произойдет, то у него не будет шансов захватить другие споры. Поэтому исследователи предположили, что читеры неспособны не на слияние как таковое, а на его инициацию — то есть что инициатива всегда исходит от гиф дикого типа (у которых ген so на месте). И действительно, оказалось, что с гифами дикого типа читеры сливаются довольно часто, а вот между собой две разных линии читеров (у обеих нет гена so и нет еще по одному маркерному гену, что позволяет их различать) сливаться «отказываются» (рис. 5).
Рис. 5. Частота встречаемости ядер дикого типа (wt) и читеров (Δso) со временем. Оранжевым отмечена доля химер: она растет со временем, если дикий тип соседствует с одним из читеров (слева и посередине), но не растет, если в популяции сосуществуют два вида читеров (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications
В результате картина сосуществования читеров с честными гифами нейроспоры выглядит так. В популяции возникает мутант, который практически не способен инициировать слияние с соседями, однако может принять протянутую «руку» от мицелия дикого типа. Они сливаются и образуют химерные нити, которые продолжают расти и образовывать споры. При этом ядра читера не участвуют в росте мицелия и слиянии с другими нитями — и поэтому чаще оказываются внутри воздушных гиф, которые формируют споры. Доля ядер-читеров в спорах получается выше, чем «честных» ядер, поэтому и частота читеров в популяции растет с каждым новым пересевом колонии.
Но в какой-то момент экспансия читеров останавливается (рис. 6). Дело в том, что поскольку читеры не инициируют слияние, то, когда их становится в популяции достаточно много, им сложнее найти партнера, который протянет им «руку». Поэтому их мицелий становится фрагментированным, а следовательно, им не хватает ресурсов на то, чтобы произвести достаточно спор, — и их доля в популяции начинает падать. «Честные» линии нейроспоры постепенно возвращают себе преимущество, а популяция саморегулируется. Именно поэтому ни в одном из лабораторных экспериментов читеры не захватывают всю культуру целиком.
Рис. 6. Успех читеров зависит от их доли в популяции. Сами по себе (d) они образуют меньше спор, чем «честные» ядра (a). Если читеров изначально немного, то со временем их доля среди спор растет (b), а если много — то падает (c). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Защита честных
Таким образом, в колонии нейроспоры проблема читерства решается сама собой — за счет изоляции их от остальных ядер. Хотя в соревновании ядер внутри одного мицелия неизбежно побеждают читеры, как только их становится слишком много, они оказываются отделены от «честных» мицелиев. Конкуренция выходит на уровень выше, состязаться между собой начинают уже целые нити — а здесь «жадные» читеры не способны конкурировать с более продуктивными гифами дикого типа.
Многоклеточным животным в этом смысле, конечно, проще — у нас невозможна не только свободная миграция ядер между клетками, но и конкуренция между неродственными ядрами, поскольку весь организм, в отличие от сливающихся нейроспор и временно агрегирующих амеб, образован потомками одной-единственной клетки. Вероятно, именно поэтому многоклеточность появилась как результат клонального деления, а не агрегации неродственных клеток (см. Многоклеточный организм надежнее строить из схожих по генетике клеток, «Элементы», 22.12.2011). Однако это не значит, что в теле животного не бывает клеток-читеров — ведь с течением времени каждый потомок накапливает свой набор мутаций и становится равноправным участником клеточной конкуренции.
И для того, чтобы справиться с читерством такого масштаба, многоклеточные животные прибегают к крайнему варианту компартментализации — у них зародышевая линия (germline), то есть предшественники половых клеток, строго отделена от остального тела (сомы). Несмотря на то, что все клетки тела несут в себе один и тот же генотип, зародышевая линия обособляется в начале развития и «консервируется» как «чистый» представитель этого генотипа — и никакие представители сомы в нее проникнуть не должны. Фактически сама половая линия становится читером (см. Микробиологи утверждают: многоклеточность — сплошное жульничество, «Элементы», 06.04.2007): ее клетки заставляют клетки сомы работать на себя, не допуская их к размножению.
Это неравноправие продолжается и на уровне физиологии. Зародышевая линия должна продержаться в нетронутом виде до следующего поколения, а сома обязуется охранять ее и снабжать энергией — естественно, в ущерб себе самой. Поэтому клетки половой линии со временем меняются несильно, а клетки сомы изнашиваются и стареют, жертвуя собой (об этом — теория «одноразовой сомы», подробнее см. Предложена универсальная модель старения одноклеточных организмов, «Элементы», 22.05.2020). Таким образом, старение многоклеточных животных — это неизбежное следствие компартментализации: захватившие власть читеры (клетки половой линии) провоцируют появление новых читеров среди добропорядочных граждан (в стареющей соме) и эффективно от него защищаются сами — предоставляя нам разбираться со всеми прочими последствиями.
Источник: A. A. Grum-Grzhimaylo, E. Bastiaans, J. van den Heuvel, C. Berenguer Millanes, A. J. M. Debets, D. K. Aanen. Somatic deficiency causes reproductive parasitism in a fungus // Nature Communications. 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-21050-5.
