Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Грибы представляют собой эколого-трофическую ™
Истины0 грибы (Mycota), а также входят в’с^аТц^^™ mcnopila и Myxobrontac. Огромное число видов грибов^" им гнозам, может достигать 1,5 млн), богатый набор ферментов и других биологически активных веществ, позволивший им освоить разные субстраты, обеспечили большую роль, которую гои- бы играют в природе, а также в жизни и хозяйственной деятельности человека. Грибы составляют важнейший компонент гетеротрофного блока в круговороте углерода: через их тело проходит /з связанного углерода на Земле. Грибы-паразиты вызывают опасные болезни растений, животных и человека, а деструкторы органических материалов — биокоррозию древесных изделий, промышленных материалов, произведений искусства. Продукция разнообразных биологически активных веществ (ферментов, антибиотиков, фитогормонов и др.) выдвинула грибы на первый план среди организмов как объекты биотехнологии.
В связи с вышесказанным для специалиста-миколога особый интерес представляет изучение обшей и частной генетики грибов. Это необходимо, во-первых, для понимания основополагающих вопросов теоретической микологии — филогении и таксономических связей, эволюционных и популяционных исследований, границ вида, генетического регулирования метаболизма и онтогенеза и пр., во-вторых, для исследований, имеющих прикладной характер, — генетики синтеза биологически активных веществ и генетических основ селекции полезных грибов, генетики вирулентности и устойчивости к противогрибным препаратам грибов, патогенных для растений, животных и человека. Поэтому для миколога, независимо от того, занимается ли он вопросами общей или прикладной микологии, чрезвычайно важно иметь некоторый набор знаний в области классической и молекулярной генетики и представления о воэмо*”^™.,“пи^че зования в поставленной перед ученым '|С"М®”™“^^^ Одну сторону проблемы взаимодействия двух биологических д^. ниплин — микологии и генетики — можно назвать ♦ грибов*.
другую сторону данной проблемы можно назвать .грибы для "ТГиз'вестно генетика занимается закономерностями и мс- «« ственности и изменчивости организмов. Наслед- ствеиность обусловлена тонкой и сложной регуляцией метаболи- ‘ “процессов, записанных в геноме организма и реализую- .процессе жизнедеятельности отдельных клеток, тканей . органов в онтогенезе. Изменчивость определяет различия меж- IV индивидуумами, слагающими популяции, популяциями, слагающими виды, видами, слагающими более крупные таксоны. Изменчивость дает материал для микроэволюции видов и макро- эвотюции всей биоты. Все это делает генетику фундаментальной наукой, изучающей наиболее общие свойства живой материи. Естественно, для изучения общих закономерностей, присущих всем организмам или хотя бы крупным таксонам, необходимы модельные объекты. Выбор генетических моделей обусловлен не такими свойствами, как практическая значимость объекта, частота его встречаемости и пр., а исключительно двумя свойствами: типичностью и удобством для генетических исследований. В этом плане грибы — удобные объекты для фундаментальных генетических исследований.
Большинство грибов представляют собой микроорганизмы, хорошо растущие на относительно простых питательных средах, поэтому к ним можно применять удобные стандартные микробиологические методы (выращивание в строго контролируемых условиях, использование селективных сред и т.п.).
В отличие от бактерий грибы — типичные эукариоты, имеющие настоящее ядро, разделение генетического материала по типу митоза и мейоза, митохондрии и другие структуры, характерные для клеток эукариот, поэтому установленные у грибов закономерности наследственности и изменчивости можно экстраполировать и на клетки других эукариотных организмов.
других эУкаРи°т грибы — одни из наиболее просто в хоохюспмлу^^ин3^0^ ^еном ”н°гих грибов хотя и организован теоий Наппим ^° П° размсру не намного превышает геном бак- ^ хпОмоСома Р1^имеют 15 хромосом, но каж-
палочки и только Гд”6” к 5 раз меньше «хромосомы» кишечной кие ™ л Р/“ б0Льше ДНК бактериофага Т2. Малень- мов мы 'рн6ов облегчают изучение генетики этих организ- об"е™стТолпТн^е^^гаплоидные, что
Доминантными аллелями. мутации, не маскирующихся мейоза, т-с^про^оди^^тс^ индивидУальныс продукты личивает возможности важ^о^'н анализ’ что значительно уве- 4ности важного инструмента генетических исслс-
дований гибридологического анализа возможность установить новые для науки ф?кт Т™”'^ ^ o'KPbiTHK. молекулярных механизмов реком&я"^^ К
В разных группах грибов обнаружено чосзиыипг разно генетической и гормональной систом nJИНОс Ра3||ооб- генетической информации (гетерокариоз, гетТр^ли"м ^моно" и диэцизм, димиксис и диафоромиксис). Грибы, вероятно бызи темы"”'0”’ На КОТором ПРИР°“ испытывала и отбирала эти сис-
Грибы представляют собой разнообразные экологические группы микроорганизмов. Например, среди грибов известны виды находящиеся на разных этапах паразитической специализации по отношению к растениям и отмсти к животным. Эго дает возможность исследовать генетические механизмы патогенности и взаимоотношений хозяина и паразита.
Грибы широко распространены в различных природно-экологических и технологических сферах, что позволяет проводить сравнительные популяционные исследования.
Перечисленные свойства сделали грибы излюбленными объектами генетиков. Открытие Д. Бидлом и Е.Тейтумом биохимических мутантов Neurospora crassa заложило основы биохимической генетики. Дрожжи, как никакой другой эукариотный организм, дали много для изучения генов, обслуживающих внутриклеточные процессы (househeeping genes), и генетики митохондрий. С Aspergillus nidulans связаны открытие и изучение парасексуаль- ного процесса. Эти примеры можно продолжить.
Поскольку для изучения фундаментальных вопросов генетики главное требование к объекту — не его практическая ценность, а удобство для решения поставленной задачи, генетика грибов долгие годы развивалась с использованием ограниченного числа видов. Среди них доминировал классический треугольник: Saccharo- myces — Neurospora — Aspergillus. Это создавало противоречия между требованиями микологов к генетике — изучение многих видов, представляющих теоретический и практический интерес для микологии, и требованиями генетиков к микологии — выбор модельных объектов. Среди 11 видов фибов, описанных в 1-м томе ^Справочника по генетике» (1972), только два вида - аскомицет Saccha- romyces cerevisiae (пекарские дрожжи) и базидиомицет Ustdago maydis (возбудитель распространенной болезни W»)- ^£ вают интерес. Многие практически важные грибы ^^ ^ ты) лишены полового процесса, поэтому дм ..-
неприменим важнейший инструмент исследовании - торшо логический анализ.R связи с воз-
В конце XX в. положение в корнеПояви-
никновением нового направления гс” любые гены из лю- лись технологии, позволяющие изол! р
бых организмов, ссквснировать их и изучать структуры колируемых белков, что поменяло основную парадигму генетического анализа. Вместо направления «от признака к кодирующему гену» наметилось направление «от гена к белку и признаку». Молеку- тярныс технологии позволили вовлечь в генетический анализ организмы. ранее недоступные для него вследствие неспособности формировать гибридное потомство. В сферу генетических исследований удалось ввести агамные и аспорогенные виды, облигат- но-симбиотрофные и облигатно-паразитические. Геномика разрешила противоречия между двумя направлениями взаимоотношений микологии и генетики. Началось взаимное оплодотворение данных направлений. Это, с одной стороны, упростило задачи, связанные с использованием для изложения затрагиваемых вопросов более широкого круга видов грибов, а с другой, потребовало привлекать данные молекулярной генетики, представляющие определенную сложность для традиционных микологов, которым, прежде всего, предназначена данная книга.
В англоязычной литературе есть несколько превосходных учебников, посвященных генетике грибов:
J. Н. Burnett. Mycogcnctics (1975); К Esser, R. Киспеп. Genetics of Fungi (1967);
J. R.S. Fincham, P.R.Day, A. Radford. Fungal Genetics (1979).
Хотя некоторые разделы этих книг устарели, знакомство с ними очень полезно. Имеется также множество новых обзоров по отдельным аспектам генетики грибов.
На русском языке для изучения отдельных аспектов генетики грибов можно рекомендовать следующие книги:
С.И.Азиханян. Селекция промышленных микроорганизмов (1968);
Ю. Т. Дьяков. Популяционная биология фитопатогенных грибов (1998);
Ю. Т. Дьяков, А. В. Долгова. Вегетативная несовместимость фитопатогенных грибов (1995);
И.А. Захаров. Курс генетики микроорганизмов (1978);
И. А. Захаров, КВ. Квитко. Генетика микроорганизмов (1967);
(19^/ ^°Х°^Ов’ Б^Мацелюх. Генетические карты микроорганизмов
И. А. Захаров и др. Мутационный процесс у грибов (1980);
С. Г. Инге-Вечтомов, 7. С. Карпова. Частная генетика дрожжей сахаромицетов (1993);
В. В. Кущев. Механизмы генетической рекомбинации (1971);
М М Левитин. Генетические основы изменчивости фитопатогенных грибов (1986);
Сборник методик по генетике дрожжей сахаромицетов (1984);
а также обзорные статьи:
Горденин, В. В. Кваша. Внутригснная рекомбинация и методы построения генных карт у грибов // Исследования по генетике. Т. 7;
лярвой биологии и Всстиик РАН^ото'^'l1'1"^;|01м'1 '™ску-
пуляциях // усп°™ХТ“^^кровных по-
Предлагаемое учебное посоКи#»
НИС вопросов генетики грибов на русском языке Т'"'06 ИЗЛ°ЖС" ложен курс генетики грибов, многие голы «ыЛ-,® %° “^У "°- микологии и альгологии биологического фавдьХ fX**^ го государственного университета им М ВЛокти^. М”ковск°- ку этот курс читается миногами Лре^^ диализирующимся ПО МИКОЛОГИИ, В нем основное внимание vne лено не общим проблемам генетики, решаемым с помощью грибных моделей, а тому кругу вопросов, который был назван «-генетикой для грибов». Книга состоит из четырех частей: I. Грибной геном и его изменения (мутационный процесс, рекомбинация)- II. Генетическая регуляция онтогенеза; III. Некоторые вопросы генетики популяций и эволюции; IV. Прикладные аспекты генетики грибов.
А. В. Шныревой написаны главы первой части, А. Ю. Сергеевым — глава 10 «Генетика патогенности возбудителей микозов». Остальные разделы написал Ю. Т. Дьяков. Он же осуществил общее редактирование книги.
Авторы благодарны члену-корреспонденту РАН И.А.Захарову- Гезехусу, академику РАН С. В. Шестакову и профессору С. В. Каменевой, взявшим на себя труд по чтению и рецензированию рукописи и сделавшим ценные замечания содержательного и ре
дакционного характера.
Все замечания и предложения, направленные на улучшение содержания книги, будут восприняты авторами с благодарностью.
ЧАСТЬ I
ГРИБНОЙ ГЕНОМ И ПУТИ ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ
Глава 1
СТРУКТУРА И ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА ГРИБОВ
Все мы являемся свидетелями бурного развития отрасли биологической науки — геномики. К настоящему времени полностью отсеквенированы геномы более 10 видов грибов. Однако развитие современной генетики было бы невозможным без накопленного на протяжении последних 50 лет прошлого столетия багажа знаний, поэтому в данной главе авторы сочли необходимым наряду с последними открытиями в области генетики грибов предста- вить исторический аспект развития этого направления.
В ходе эволюции у эукариот, в том числе у грибов, сформировался геном, который существенно отличается от генома прокариот. Клетка эукариот отличается от прокариотической тем, что ее наследственный аппарат сосредоточен в ядре, ограниченном от цитоплазмы ядерной мембраной. В первую очередь это отличие заключается в избыточности генома: содержание ДНК на одну
эукариотическую клетку на 1 —2 порядка выше, чем у прокариот. В бактериальном геноме гены почти непрерывно следуют один за другим вдоль всей молекулы ДНК, а в некоторых случаях даже перекрываются. Гены, кодирующие ферменты одного метаболического пути, связаны между собой и часто образуют целостную единицу транскрипции. В эволюции эукариот такой принцип экономии был не столь важен. Большую часть ДНК эукариот занимают некодирующие участки. В целом приблизительно только 20 % всего генома функционально значимо и транслируется в белковые последовательности. Мозаичная структура генома — вторая отличительная черта эукариот. Собственно ДНК эукариот распре- Д^ена В ^Pe "° нескольким хромосомам. Клеточные хромосомы тПп^ЖаТ линейную дуплексную ДНК, хотя вдоль линейного ос- ^ечаются двухцепм^ петли. С другой стороны, геном ' тен> т е. ДНК плотно упакована в хромосомы.
ен°мом оргаиизма называют все его внутриклеточные струк- HbICJ< сам°Репликации и несущие ту или иную на- относятгч i!? инФ°Рмаияю- В грибной клетке к таким структурам ный<ЯДСРНЫЙ гсн°м), митохондрии (митохондриаль-
ныи геном), плазмиды.
Большой вклад в понимание ооганиииии
том числе грибов, „несли работы 1960-х голо р Б™' Эукарис”т' ” видсона, основанные на изученииР БРиггсна и Е.Д>
такого анализа ДНК ™зГт"^^ температур, превышающих точку плавления ДнТ ч раль ДНК заставляют диссоцииро^ь на однони^атымТ СПИ‘ а затем определяют скорость восстановления дуплексов т с^ко* рость реассоциации фрагментов ДНК (рис. 1) Понятно чтп га ° логичные участки ДНК реассоциируют быстрее. ПоТкоросги ассоциации ДНК эукариот гетерогенна: от очень медленно реассоциирующих фракции, что соответствует уникальным последовательностям генома, до очень быстро реассоциирующих фрагментов. С помощью кинетического анализа реассоциации денатурированной эукариотической ДНК было показано, что значительная ее часть ренатурирует гораздо быстрее, чем можно ожидать для уникальных последовательностей. Высокая скорость реассоциации говорит о том, что данная последовательность встречается в геноме от нескольких сотен до сотен тысяч раз. Именно при изучении кинетики реассоциации впервые были обнаружены диспергированные повторяющиеся последовательности. Кинетика реассоциации позволяла также охарактеризовать взаимное расположение уникальных и повторяющихся последовательностей, периодичность повторов.
Схема опыта представлена на рис. 2. Чтобы получить препараты молекул ДНК разной длины, суммарную ДНК фрагментируют случайным образом и затем разделяют центрифугированием в градиенте плотности хлорида цезия CsCl. Фрагменты денатурируют и отжигают при фиксированных значениях Сог (Со — это концентрация ДНК в момент времени г), после чего подвергают фракционированию на колонках с гидроксилапатитом. На кривых реассоциации геномной ДНК повторяющимся последовательностям соответствуют участки с низким и средним значением Qi. а уни
кальным — участок с высоким Сол
Рис. I. Схема денатурации ДНК (.«ДНК - одноцепочечные с последующим восстановлением двухцепочечной структуры
Рис. 2. Типичная Cot кривая эукариот.
Кривая состоит из нескольких шагов. Первый шаг на кривой (I) ДНК, рсна- турирутошая при очень низких значениях С0Л что соответствует фракции повторяющейся ДНК, представленной многочисленными копиями. Второй шаг (И) — ДНК, ренатурируюшая при средних значениях Cot, что соответствует умеренным повторам ДНК. Последний шаг (III) — медленно реассоциирующая ДНК, представленная уникальными последовательностями
Таким образом, согласно данным кинетического анализа, под структурой и организацией генома понимают совокупность фракций нуклеотидных последовательностей ДНК в геноме данного организма, различающихся по частоте повторяемости, взаимному расположению и относительному содержанию.
Метод плавления двойной спирали ДНК с последующим ее восстановлением из комплементарных одноцепочечных полинук- леотидных цепей нашел одно из своих наиболее интересных применений в геносистематике высших организмов. Основная идея использования этого метода сводится к следующему: чем больше одинаковых генов у двух организмов, тем ближе их родство. Поэтому если провести отжиг смеси ДНК двух организмов и установить количество образовавшихся гибридных двойных спиралей, можно судить о степени родства между данными организмами.
Эукариотические геномы содержат гораздо больше ДНК, чем это представляется необходимым. Ядерный геном у грибов по своему размеру занимает промежуточное положение между геномом бактерий и высших эукариот. В среднем размер генорма у грибов на два порядка меньше, чем у высших растений. Число хромосом у разных грибов составляет 2—28, большинство видов имеет 10— 2 хромосом. Гораздо более значительные колебания отмечены в
количестве ДНК на гаплоидный геном от 0 01$ ^™™яо ».! ,1Г у£„,„,,„.'у ,^"
„.S'^yS—™"« ДНК на гаплоидное ядро в царстве грибов может ^iXhtcimio варьировать как в пределах одной таксономической трупы так и между различными классами. Наименьший размер имеет геном аскомицета Aeshbya gossypii - 9,7 10* н.п. (нуклеотидных пар • геном а^комицстных дрожжей Saccharomyces cerevisiae оценен в 1,35 • 10 н. п. Геном Aeshbya является самым маленьким среди всех исследованных эукариот (меньшие размеры ДНК имеют только нук- леоморфы некоторых водорослей, но они встречаются не у сво- бодноживущих организмов, а у эндосимбиотических структур). Значительные колебания в содержании ДНК отмечены и среди бази- диомицетов: размер генома вешенки Pleurotus ostreatus составляет 0,023 пг, что соответствует 2,1 107 н. п., а у плютея оленего Pluteus cervinus он почти на порядок больше и оценивается в 0,1 пг, или 9 • 107 н. п. Для сравнения: у человека геном включает 2,9 • 109 н. п.
Мелкие хромосомы грибов (по сравнению с высшими эукариотами) позволяют биохимическими методами разделять тотальную ДНК ядра многих видов грибов на отдельные молекулы, со- ставлющие хромосомы. Для этих целей используют ортогональный, или пульсирующий, электрофорез. На электрофореграммах, полученных с помощью этого метода, можно не только разделить хромосомы, но и определить их молекулярную массу, а также выделить ДНК отдельных хромосом для дальнейших исследований. Метод импульсного электрофореза революционизировал цитогенетику грибов, облегчил кариотипирование (определение числа хромосом и их морфологии) и картирование (определение порядка расположения генов внутри хромосомы и расстояний между генами) многих видов, а также позволил установить специфические структуры генома грибов. В частности, с помощью этого метода была обнаружена гстероплоидность генома у многих видов, т.е. варьирование числа хромосом у отдельных штаммов внутри вида. Наряду с более крупными хромосомами, обязательными для нормального существования клетки, в ядрах многих грибов присутствуют более мелкие В-хромосомы, число которых неопределенно и которые у отдельных штаммов вообще могут отсутствовать (подробнее см. с. 50).
Большой размер эукариотических геномов обусловлен наличием в них множества повторяющихся последовательностей ДН (ПП), на долю которых, по приблизительным оценкам приходится от 10 %, а в некоторых случаях и до 50% генома. . истинных грибов наблюдаем низкий процент ПП, которые у бактерии почти отсутствуют, a v высших эукариот составляют зна . ную часть генома. Исключение составляют оомицеты (псемогри-
л *па I Семейства повторяющихся последовательностей » геномах грнбо. (%)
Вилы грибов
УП
ПП
on
Аскомиисты Ncurospora crassa Aspergillus nidulans
90
97
8
3
2
Б азид коми петы
Sch trophy Hum commune
Pleurotus ostreatus
90,6
69.5
7 25.5
2,4
5
Зигомицеты
Phycomyces blakesleeanus
55
35
10
Примечание. Следует заметить, что эти данные получены на основе кинетики реассоциации и ДНК-ДНК-гибридизации - методов, допускающих погрешности до 15 —20 %. Современные методы молекулярной биологии позволяют более точно охарактеризовать структуру генома.
бы), в геноме которых повторы составляют 18 — 65%, и зигоми- цет Phycomyces blakesleeanus, на долю ПП у которого приходится до 45 % всей ДНК.
Определяя кинетику реассоциации ДНК, исследователи смогли выделить три основные фракции нуклеотидных последовательностей — уникальные последовательности (УП), повторяющиеся (ПП) и обращенные повторы (ОП) (табл. 1).
Уникальные последовательности — наиболее сложно организованный и основной по массе компонент генома эукариот. Истинно уникальные последовательности — это те последовательности, которые встречаются один раз на гаплоидный геном и в основном представлены структурными генами. Семейства ПП в значительной степени многообразны и полифункциональны. Среди них имеются как многократно повторяющиеся (до 1 млн копий на гаплоидный геном), так и умеренно повторяющиеся (от 10 до 104 копий на геном). Повторы могут быть длинными: от 200—400 до 2000 н.п. и более. Есть еще группа так называемых обращенных, или инвертированных, повторов (ОП): это взаимно комплементарные последовательности ДНК, локализованные на одной нити \ и мгновенно ренатурирующие с образованием «шпилек».
В ходе дальнейшего изложения мы не раз будем сталкиваться с различной природой и функциональной значимостью ПП. Здесь же следует отметить, что уже начальные исследования показали: °™нстъо из них являются структурными генами рРНК и тРНК. prНК-кодирующие последовательности (гены рРНК) — это собранные в кластеры последовательности 18S; 5,8S, 285 рРНК с транскрибируемыми спейссрами между ними. Такой рибосомный лок у грибов повторяется от десятков до нескольких сотен раз на геном. Гены рРНК расположены в виде длинных повторов типа лова к хвосту». Рибосомные блоки из трех рРНК-генов раз- 12
граничиваются и фланкируются внешними (ETS — external tnns- ^’ng spacer) и внутренними транскрибируемыми спейсерами (ITS - internal transcribing spacer). Ранее транскрибируемые спсй- ссры считали нетранскрибирусмыми (NTS), но позже стало известно, что с этих участков осуществляется транскрипция и про- ДУ“™ транскрипции участвуют в регуляции экспрессии генов рДНК. Поэтому сейчас можно встретить более подходящее для этих последовательностей название — межгенные спейсеры (IGS - internal gene spacer). Например, единица транскрипции рДНК-гс- нов у S. cerevisiae — одна из самых маленьких среди эукариот — составляет 6 — 7 тыс. нуклеотидных пар (н.п.) (рис. 3). Большинство повторяющихся единиц рДНК (если не все) расположены в одном тандемном кластере на XII хромосоме.
В царстве грибов обнаружены различия в распределении по геному генов низкомолекулярных 5S рРНК. Гены 5S рРНК транскрибируются с участием РНК полимеразы HI (pol III), транскрипцию же всего кластера генов рРНК катализирует РНК-по- лимераза I (pol I). Следует заметить, что РН К-пол и мераза III транскрибирует гены, кордирующие тРНК, 5S рРНК и другие низкомолекулярные РНК. Чаще всего у грибов встречается структура кластера рРНК с локализацией генов 5S РНК в пределах рДНК-го кластера, как у Schizophyllum commune, Coprinus cinereus. У дрожжей гены 5S РНК чередуются с другими генами рРНК в пределах одной повторяющейся единицы, но транскрипция их осуществляется независимо от остальных генов; длинный поли- цистронный транскрипт генов 18S, 5,8S и 28S рРНК образуется при участии РНК-полимеразы I (см. рис. 3). Исключение обнаружено у Neurospora crassa*. гены 5S рРНК диспергированы по всему геному и пространственно отделены от генов, кодирующих высокомолекулярные 28S и 18S рРНК.
Уникальные последовательности — это наиболее сложно организованный и основной по массе компонент генома эукариот. В основном они представлены структурными генами.
pol 111Р°П
IIII।1
123456
Нуклеотидные пары, тыс.
Рис. 3. Дрожжевой рДНК-цистрон
Структура гена
Исследования середины 1970-х годов, прежде всего связанные с внедрением новых методов секвенирования ДНК, коренным образом изменили представление о структурной организации гена эукариот. Существует два метода секвенирования ДНК: метод А Максама и В.Джильберта, основанный на химическом гидролизе пол и нуклеотидной цепочки ДНК, и метод Сэнгера, основанный на использовании ДНК-полимеразы, который широко применяется по сей день.
Уже первые результаты секвенирования последовательностей ДНК показали, что почти все гены эукариот (за некоторым исключением, например рибосомные гены дрожжей) имеют мозаичную структуру и состоят из экзонов и интронов. Термин мин- трон» был предложен одним из авторов методов секвенирования В.Джильбертом в 1978 г. Интроны — это некодирующие последовательности ДНК, разделяющие кодирующие последовательности структурных генов эукариот на отдельные участки — экзоны. Экзоны — участки генома, с которых считываются последовательности зрелых мРНК и которые непосредственно кодируют полипептидные последовательности. Экзонные последовательности прерываются или чередуются с некодирующими интронами. Как правило, на долю интронов приходится больше ДНК, чем на долю экзонов. Наличие интронных структур в генах является основным и принципиальным отличием структурной организации геномов эукариот от прокариот. Именно наличие интронов в структурных генах определяет весь последующий процесс транскрипции и основное отличие организации генов эукариот от прокариот. Все интроны транскрибируются в составе РНК-предшественника и впоследствии удаляются в процессе разрыва-воссоединения, который называется сплайсингом. Схематически этот процесс представлен на рис. 4.
В ядре с ДНК-матрицы транскрибируются предшественники мРНК (пре-мРНК), после чего там же в ядре происходит их созревание, или процессинг. В ходе процессинга пре-мРНК превращаются в конечные зрелые мРНК-продукты, которые функционируют в цитоплазме как матрицы для последующих процессов трансляции.
Итак, в ходе процессинга происходит вырезание интронных последовательностей и сплайсинг экзонных последовательностей, нтроны могут находиться как между отдельными кодонами, так и внутри кодонов (т.е. прерывать триплет нуклеотидов), поэтому их вырезание должно происходить очень аккуратно, чтобы не были нарушены ни сама последовательность триплетов, ни рамка считывания. Очевидно, что сплайсинг должен осуществляться чрезвычайно точно, поскольку удаление даже одного нуклеотида 14
Транскрипция
3'
Кольцевой интрон
5'
8» Первичный РНК-транскрипт
(7*^"^$£ХуТх£?£<?^мРНК для
ПродуктI 2-й сплайсинг не известен ПродуктI 2-й сплайсинг не известен Матураза 12Матураза 12Дополнительный сплайсинг, матураза 14Дополнительный сплайсинг, матураза 14Рис. 4. Транскрипция эукариотических генов на примере гена цитохрома b дрожжей (интроны выделены точками)Рис. 4. Транскрипция эукариотических генов на примере гена цитохрома b дрожжей (интроны выделены точками)
ПродуктI 2-й сплайсинг не известен
ПродуктI 2-й сплайсинг не известен
Матураза 12
Матураза 12
Дополнительный сплайсинг, матураза 14
Дополнительный сплайсинг, матураза 14
Рис. 4. Транскрипция эукариотических генов на примере гена цитохрома b дрожжей (интроны выделены точками)
Рис. 4. Транскрипция эукариотических генов на примере гена цитохрома b дрожжей (интроны выделены точками)
приведет к смещению рамки считывания образующейся матрицы (мРНК) и, следовательно, к нарушению белковой последо
вательности.
Что же направляет точный механизм сплайсинга? Основа этого механизма находится в самих нуклеотидных последовательностях, кодирующих интроны, т.е. сами интронные последовательности обеспечивают точный механизм сплайсинга.
Интроны
У структурных ядерных генов, кодирующих белки, нуклеотидные последовательности на границах интрон/экзон весьма консервативны: любой интрон структурного ядерного гена начинается с динуклеотида GT и заканчивается AG. Внутри интронов консервативны только участки, прилегающие к кодирующим эк-
зонам и участвующие в сплайсинге. Эти участки называются сайтами сплайсинга. Замена остатка G или Т в пофаничной области между интронной и экзонной последовательностями обычно блокирует сплайсинг.
Сплайсинг инициируется специфическим взаимодействием между нуклеотидами экзонной и интронной последовательностей, фланкирующих сплайсинговый сайт. Короткие инвертированные повторы в интронных последовательностях необходимы для осуществления сплайсинга на уровне молекул пре-мРНК. Границы интронов/экзонов обычно соответствуют аминокислотным остаткам, расположенным на поверхности белков.
Механизм сплайсинга следующий: происходит инициируемый интроном (концевым гуанозином G) разрыв по 5*-концу сплаи- сингового сайта, затем следует РНК-катализируемая реакция трансэтерификации, в ходе которой З'ОН-группа расположенного слева (upstream) экзона атакует фосфат 3*-конца сплайсинго- вого сайта. Затем происходит лигирование экзонных последовательностей и вырезание интрона. Внутренняя направляющая последовательность (IGS — internal guide sequence) возле 5'-конца интрона, как полагают, спаривает 5*- и З’-концы экзона посредством соединения интронных и экзонных элементов Р1 и РЮ (так называемых канонических последовательностей). Таким образом, наличие неких канонических последовательностей в сайтах сплайсинга обеспечивает точное вырезание интрона. Схема сплайсинга с участием классического ядерного интрона приведена ниже:
сх(схоп)i (intron)ex
CAG/ 5QIGCCTAG3/ATAДНК
(на^аниир’ °/ЛИ пР°изо^т мутация в пограничной зоне га сТедователм^”^”^0^1 будСТ наРУшсн механизм сплайсин- ‘ ательно, нарушится последовательность мРНК, что по-
Тип интрона
5'-сайт сплайсинга
З'-сайт сплайсинга
Ядсрная прс-мРНК (дрожжи)
KIUAUGU
Y„AG]N
Группа 1 (ядерные рРНК митохондриальные мРНК и рРНК)
121
QI
Группа II (митохондриальные мРНК)
IGUGCG
Y„AU|
тРНК
N|N
N|N
мРНК хлоропластов (Euglena)
GUG^G
Y„Aud
Т а б л и ц;
Канонические последовательности сплайсинга разного типа
килим сайтов
Примечание. Представлены последовательности РНК. Y - пиримидин- п - число пиримидинов. Инвариантные основания подчеркнуты; вертикальными сплайси,|га; N ~ -’"обое азотистое основание (T. Cech Ц
влечет нзрушение белковой последовательности при трансляции. При нарушении аминокислотной последовательности белка нарушается и его функция. Итак, мРНК, или информационная РНК, с которой осуществляется синтез белка, — это «переработанный» в ходе процессинга первичный РНК-транскрипт с ДНК, поступающий из ядра в цитоплазму.
Резонно задать вопрос: зачем гену нужны интроны? На первый взгляд может показаться, что это некоторая избыточная ДНК. Однако это далеко не так. В ряде случаев интроны выступают фактически экзонами других генов, т.е. вырезаемые iPHK в свою очередь являются мРНК других белков, участвующих в сплайсинге. Тем не менее, несмотря на функциональную значимость интрон-1 ных последовательностей, исследователями установлен факт более быстрой изменчивости (дивергенции) интронных структур по сравнению с экзонными. Показано, что интроны способны быстро изменяться за счет двух основных механизмов: во-первых, быстро перестраиваться за счет вставок, делеций и дупликаций коротких участков ДНК; во-вторых, медленно изменяться за счет точковых мутаций — нуклеотидных замен. Многие мутации в интронной области являются «молчащими», пока они не затрагивают функционально значимые участки ДНК.
Некоторые интроны кодируют так называемые белки созревания, илиматуразы (от англ, maturase — созревать), которые обеспечивают созревание мРНК и принимают непосредственное участие в сплайсинге. Об этом подробно будет изложено далее.
Грибы имеют наиболее короткие интроны. Средняя длина грн ного интрона составляет 85 н.п., с размахом значении длины от 36 до 250 н.п. К настоящему времени описано 5 групп интронов. В основе классификации этих элементов лежат особенное™ их
строения и соответствующие механизмы сплайсинга. Иными сло- X. деление по группах, основано на различных молекулярных механизмах вырезания интронов из прс-мРНК (табл. 2).
Классические ядерные интроны
Классические ядерные интроны, или интроны генов ядерных мРНК начинаются динуклеотидом GT и заканчиваются AG. В ходе сплайсинга они вырезаются и накапливаются в форме маленьких ядерных рибонуклеопротеидных частиц (snRNPs small nuclear ribonucleoprotcids). Именно эта группа интронов была впервые обнаружена в ядерных генах эукариот.
Интроны группы I. Встречаются предпочтительно в геномах органелл (митохондриях, хлоропластах водорослей), бактериофагов; некоторые из них обнаружены в ядерных геномах, например в генах рРНК низших эукариот (слизевика Physarum polycephalum). Большинство митохондриальных интронов грибов принадлежит группе I. Длина их превышает 1000 н.п. Для интронов этой группы известны две функции: а) способность автономно перемещаться в гомологичные сайты ДНК по принципу мобильных элементов за счет того, что они сами кодируют белки «транспозазы», или сайт-специфические эндонуклеазы; б) способность к автономному сплайсингу за счет того, что они сами кодируют «белки
созревания».
Интроны группы И. Распространены менее широко, чем интроны группы 1. Встречаются только в геномах органелл — мито- хондриий, хлоропластов; у грибов незначительное количество описано в мт-геномах (митохондриальных геномах). Интроны группы 11 не содержат канонических последовательностей, характерных для интронов группы I, но они тоже имеют специфическую вторичную структуру, образующуюся благодаря внутримолекулярному спариванию оснований. Канонические последовательности —
это некие «постоянные» характерные нуклеотидные последовательности в пределах какой-либо структуры (в данном случае в пределах интронной последовательности), которые необходимы для успешного прохождения сплайсинга и формирования вторичной структуры молекулы ДНК. Многие интроны группы II, как показано, кодируют обратные транскриптазы — ферменты, позволяющие синтезировать ДНК-копию на РНК-матрице. Механизм транскрипции будет разобран позднее на примере «синдрома старения» у Podospora anserina, связанного с вырезанием последова- ности a-sen из митохондриального гена цитохромоксидазы сох 1. ТМпи^0НЫ ГРУППЫ Ш- ^то короткие, АТ-обогащенные нуклео- v г!оследоваЗельности. У грибов они не обнаружены, описаны у водорослей, например у Euglena.
Интроны генов транспортных РНК (тРНЮ
риот; никаких особых функций ".Дов ”^ невелики - от 14 до 60 н.п., но они локализуются'всегда п пТ ном и том же месте: через один нуклсотип пт т ™ од' на. У генов, кодирующих разные тРНК внутрснниеи3^?^0'40’ участки интронов заметно различаются. * Р Фанговые
Механизмы интеграции интронов и их происхождение
Интроны из различных групп отличаются нс только механизмами их вырезания из пре-мРНК, но и предполагаемыми механизмами интеграции (инссрции) в новые участки ДНК Рассматривая различные механизмы интеграции интронов’ можно предположить возможные пути их происхождения в ходе эволюции.
Ядерные интроны. Для них предложен механизм происхождения путем дупликаций экзонных последовательностей:
GI и AG — сштайсинговые сайты
Интроны группы L Как уже было сказано, многие из них кодируют белки матуразы, участвующие в сплайсинге и способные обеспечить сплайсинг интронных структур как in vivo, так и in vitro (показано экспериментально). Интроны катализируют свои собственный сплайсинг, который может протекать in vitro в отсутствие каких бы то ни было других белков. Информация, необходимая для сплайсинга, содержится во множестве относительно коротких внутренних (канонических) последовательностей в пределах интрона, которые обеспечивают укладку молекулы с оора- зованием характерной пространственной структуры. Сплайсинг инициируется свободным гуанозином или любым из его о -фосфорилированных производных. Конечными продуктами сплайсинга являются мРНК и линейная РНК, размер которых несколько
меньше чем размер интрона. Полагают, что в результате внугри- хХкттярного спаривания некоторых канонических последовательностей интрон приобретает конфигурацию, благоприятную дпя автокаталитического сплайсинга.
Для некоторых интронов группы I была также экспериментально продемонстрирована функция мобильных генежческих элементов т е способность к перемещению в новые участки ДНК, поичем’инссрция интронов (их интеграция) происходила по типу сайт-специфической рекомбинации. Сайт-специфические эндонуклеазы разрезают ДНК в месте интеграции интрона, и происходит его дальнейшее встраивание путем генной конверсии, т.е. имеет место сайт-спсцифическая рекомбинация. Участки-мишени для эндонуклеаз, кодируемых интронами группы I, как пра- вило, характеризуются протяженными последовательностями узнавания. Эндонуклеаза делает двухцепочечный разрыв в молекуле ДНК и таким образом инициирует мобильность интрона. Двухцепочечные разрывы «залечиваются» потом по интронсодержа- шей донорной аллели, служащей матрицей.
Впервые эта способность была продемонстрирована в 1980-е годы в работах Дюжона, проведенных на дрожжах 5. cerevisiae (B.Dujon, 1980). При изучении мт-гена, кодирующего большую субъединицу рРНК (LrRNA), был выделен локус со* длиной 1,1 тыс. н.п. При скрещивании со*-штаммов с со~-штаммами происходила сайт-спсцифическая рекомбинация, в результате чего все потомки от скрещивания несли ^-последовательность, т.е. происходила передача интронной последовательности почти всему потомству:
со* — омсга*-штаммы с интронной последовательностью по гену LrRNA
to" — омспг-штаммы без интрона в гене
100% штаммов с со*-последоватсльностыо
Механизм конверсии клеток в потомстве для со* следующий: интронная последовательность кодирует белок fill, или транспо- зазу, которая есть не что иное, как сайт-специфичсская эндо- РазРсзаюшая ДНК в месте интеграции интрона и способствующая его инсерции путем генной конверсии (по типу сайт- специфической рекомбинации).
Подобные интроны с сайт-специфической эндонуклеазной активностью, позволяющей им перемещаться в гомологичные сайты ДНК обнаружены в генах митохондрий грибов, в ядср- инНт^3* Р возбудителя головни Ustilago maydis, лишайни- гри$а Cladonia chlorophea, слизевика Physarum у баете^иофагоЕ^Р”1*1* рРНК генах зеленых водорослей, а также 20
Ввиду широкого распространения интронов группы I можно предположить, что подобный инсерционный механизм оазмно жсния/распространсния интронов действовал при горизонталь нои передаче интронов другим генам разных видов и даже пои обмене между прокариотами и эукариотами.
Многие интроны группы I имеют одновременно две рамки считывания и кодируют одновременно оба белка - как сайт-специ- фическую эндонуклеазу, так и матуразу, т.е. характеризуются «сопряженными функциями» (например, интрон цитохромоксидазного гена cytb аскомицета Podospora anserina, 3-й интрон гена НАДН-дегидрогеназы NDI13 Р. anserina).
Интроны группы II. Иной совершенно противоположный механизм перемещения интронов — путем обратной транскрипции — обнаружен для интронов группы II. Схематично процесс обратной транскрипции представлен далее на рис. 7. При участии обратной транскриптазы может происходить вырезание интронной последовательности, в результате чего ген теряет эту последовательность, и таким образом происходит замена интрон-содержа- щего гена на ДНК-последовательность без него:
Автономный
Транскрибируетсясплайсинг
Ген А Гпре-мРНК гена A i* v 1РНК=мРНК обратной \транскриптазы
мРНК гена А i"
Обратная транскрипция — | -J
ген A Г — кДНК копия гена А Г1
Интеграция в геном путем I
гомологичной рекомбинации
Разберем этот механизм на примере последовательности a-sen в мт-геноме Podospora anserina (рис. 5). Работы по секвенированию митохондриального генома гриба в лаборатории А.Кьюмин- гса в 1990-е годы показали, что последовательность a-sen есть не что иное, как первый интрон митохондриального цитохромоксидазного гена coxl if, (или COI), вызывающий «синдром старения» (senescence) у гриба. «Старение» вегетативно растущихклеток проявлялось в остановке роста мицелия и прекращении ф р- мирования воздушных гиф с последующим лизисомь^.°
отмечено, что признак передавался через анастомозыi г ф р. гим клеткам, что указывало на Цитоплазматическое связанное с мт-геномом наследование. В молодых растущих метках посл« вательность a-sen является интегрированной в мт- . . собность вызывать .старение, культур ™»№;“”±5 ^ накоплением в цитоплазме в вше ковалентно замкнутых мои
Прс-мРНК COIПрс-мРНК COIa-sena-senСплайсингСплайсингТранскрипцияТранскрипцияCOICOIмт-Геноммт-Геномa-sen РНКa-sen РНКмРНК COfмРНК COfОбратная транскрипцияОбратная транскрипция
Прс-мРНК COI
Прс-мРНК COI
a-sen
a-sen
Сплайсинг
Сплайсинг
Транскрипция
Транскрипция
COI
COI
мт-Геном
мт-Геном
a-sen РНК
a-sen РНК
мРНК COf
мРНК COf
Обратная транскрипция
Обратная транскрипция
J кДНК а-зел
/ Автономная а-зел кДНК * интегрируется в мт-гсно.м / путем гомологической / рекомбинации
^^/ Циклическая a-sen кДНК
Старение и гибель клеток
Рис. 5. Схема вырезания и накапливания последовательности а-звл в «стареющих» культурах Р. anserina.
Последовательность кодирует полипептид, гомологичный обратной транскриптазе. Эта последовательность способна автономно реплицироваться с помощью механизма обратной транскрипции с последующей циклизацией скопированной последовательности в кольцо
кул. В «стареющих» культурах эта интронная последовательность накапливается в цитоплазме в виде циклических молекул a-sen. Затем циклические молекулы способны интегрироваться в гомо- логичный участок соответствующего интрон-содержащего гена, что приводит к тандемным дупликациям данной интронной последовательности. Таким образом, дуплицированные интронные последовательности в мт-геноме являются сайтами гомологичной рекомбинации, за счет чего и происходит накопление дефектных мтДНК при старении культур. Такие мт-геномы накапливают огромное количество делений, что неизбежно ведет к нарушению транскрипции функционально значимых генов дыхательной цепи (блокирование респираторной цепи), и, как следствие, кончики гиф не могут расти из-за нехватки энергетических ресурсов. Было показано, что мобильность этой интронной последовательности связана с тем, что сама последовательность кодирует белок обратную транскриптазу.
Интересным является факт обнаружения у митохондриального интрона а/ S.cerevisiae сопряженных функций, сочетающих од- 22
ный сплай-ный сплай-повременно матуразную (обеспечивающую автономний • синг) и обратнотранскриптазную активности ‘
ный сплай-
ный сплай-
связана с тем,связана с тем,Еще одна важная биологическая роль интронов связана с что эти последовательности ДНК оказывают значительное влия ние на рекомбинации между гомологичными генами- некодиоу ющие интронные последовательности увеличивающим^ повышая тем самым шансы на кроссинговер, и позволяю™ большей вероятностью обмениваться неповрежденными функшюнХ ными единицами генов. Поэтому считается, что «мозаич^» структура генов эукариот облегчает и ускоряет эволюцию наряду с мобильными генетическими элементами.
связана с тем,
связана с тем,
Реорганизация генома. Структурные перестройкии модификации геномов
Грибы — это чрезвычайно пластичная группа организмов. Исследователи постоянно сталкиваются с различными формами проявления изменчивости у грибов, нестабильности их геномов. Можно выделить следующие основные формы проявления генетической нестабильности:
нестабильные, часто изменяющиеся (мутирующие) гены;
перемещающиеся генетические элементы;
особые генетические элементы, благодаря транспозициям которых изменяется пол клеток, например, как у почкующихся (5. cerevisiae) и делящихся (Schizosaccharomyces pombe) дрожжей;
факторы, стимулирующие митотическую рекомбинацию и даже утрату целых хромосом.
Все эти проявления так или иначе связаны с мобильными генетическими элементами (МЭ). Примером нестабильных генетических аллелей как одной из форм проявления генетической нестабильности могут служить л/с-2-мутация Coprinus radiatus (дефект по синтезу никотиновой кислоты), ревертируюшая в мейо- зе с частотой 20%, или нестабильные мутации ad-5-локуса Neurospora crassa. Однако впоследствии при утрате мобильного элемента локус становится стабильным.
История изучения МЭ. Впервые о мобильных генетических элементах, или, как их еще называли, «прыгающих» генах, заговорили в начале 1950-х годов, когда Барбара МакКлинток высказала смелое предположение о том, что геном кукурузы содержит мобильные ДНК-последовательности, способные перемещаться из одной хромосомы в другую. Их она назвала «контролирующими элементами», способными вызывать нестабильные мутации перестройки хромосом. Были описаны Ас- и Ds-элементы (оста or, dissociation), супрессоры-мутаторы (Spm). Вначале подобное предположение было встречено в научном мире скептически.
счедствии Барбара МакКлинток получила в 1983 г. Нобелевскую премию за свое открытие. Позже появилось много спекуляций на прелмет присутствия мобильных элементов в геномах эукариот, особенно когда исследователи столкнулись с различными проявлениями нестабильности и вариабельности признаков. Детальное изучение транспозонов стало возможным после того, как их на- учились клонировать. Первыми клонированными мобильными элементами были Л/ДГ-элементы Drosophila melanogaster (mdg — mobile dispersed genetic elements).
Мобильные генетические элементы, или транспозоны, — это последовательности ДНК, способные автономно реплицировать
ся, а также вырезаться и интегрироваться в новые локусы генома. За последние пятнадцать лет транспозоны обнаружены у большого числа исследованных видов грибов из разных таксономических групп, и этот список постоянно пополняется. Вероятно, можно утверждать, что подобные мобильные элементы являются непременным атрибутом любого грибного генома.
Можно выделить три основных периода в изучении мобильных генетических элементов. Первый период связан с работами Б. МакКлинток и с представлениями о транспозирующихся элементах как о «паразитах» в геноме. Второй период характеризуется накоплением данных о распространенности мобильных элементов практически у всех групп организмов, как прокариотических, так и эукариотических. Причем мобильные элементы эукариот сходны со своими прокариотическими «родственниками» в том отношении, что их транспозиции обеспечиваются генами, содержащимися в пределах этих элементов, а также специфическими концевыми последовательностями. Период накопления данных о грибных транспозонах пришелся на конец 1970-х—начало 1990-х годов, когда МЭ были описаны у многих грибов, особенно фитопатогенных. Современный этап связан с детальным молекулярно-генетическим изучением транспозонов, что стало возможным после того, как их научились клонировать. Сейчас исследователи пытаются ответить на многие вопросы, в частности: а) каким образом мобильные элементы влияют на тс или иные процессы в геномах; б) какие функции выполняли и выполня-
Ра“спозоны в эволюции. Общепризнанным является мне- транспозоиах как о движущем факторе эволюции: счита- пиот’ К енн° они обеспечивают пластичность геномов эука- ляют знзчиД^ быстР°Г0 видообразования. Транспозоны состав- риот. НапоимрпУЮ Д°ЛЮ ВССГ° гснома в Различных царствах эука- до 50% всего геноме чел°века, по данным секвенирования, позонов °Ма ПРИХОДИТСЯ на различные семейства транс-
В грибных геномах, отражают весь
Р существующего разнообразия этих элементов среди эука- 24
риот. Как и у других эукариот, транспозоны
двум классам, принципиально различающимся меж" Ир-"алт1Слат лурой и механизмами их передачи (трХ?Х^ спозонов класса I осуществляется через РНК-norn^r? а*1 1рап стием ферментов интеграции — обратных Р дника с У,,а" РМк , пuи т_ 1оратных транскриптаз' ДНК —»
гНК->ДНК. Транспозоны класса II хаоакт^пи-^/^>
ственной транспозицией ДНК->ДНК, что обеспечивас^фер’ ментами транспозазами, кодируемыми самими транспозонами Концевые (терминальные) повторы, фланкирующие транспозонную последовательность (длинные прямые, LTRs — у тпанспо- зонов класса I, и короткие инвертированные, ITRs — у тоанс позонов класса II), функционально значимы и принимают непосредственное участие в передаче транспозонов в новые сайты являясь своеобразными мишенями интеграции. Наличие у вновь перемещенных копий транспозонов дупликаций ДНК в участках интеграции (TSDs - target site duplications), расположенных в концевых повторах, свидетельствует в пользу выше упомянутых механизмов интеграции в отличие от обычной рекомбинации.
Обнаружить и продемонстрировать активные транспозиции мобильных элементов можно экспериментально несколькими способами. а) с помощью так называемых «ловушек» транспозонов (transposon trapping) — эта методика основана на том, что известный охарактеризованный ген прерывается (gene disruption) вставкой активного транспозона (например, Folytl Fusarium oxysporum вызывал нестабильные мутации при его вырезании из л/7/-гена); б) путем спонтанных инсерций в ген, например tnir-ген Toly- pocladium inflatum, прежде не охарактеризованный и вовлеченный в азотный метаболизм; в) по мутантным фенотипам, ревертиру- ющим к дикому типу с высокой частотой, при этом вырезание транспозона может сопровождаться восстановлением функции гена; г) путем клонирования и анализа повторяющихся последовательностей ДНК — так были обнаружены MGR и grasshopper транспозирующиеся элементы Magnaporthe grisea, Foret элемент Fusarium oxysporum, CFT-/-транспозон Cladosporium fulvum, restless транспозон Tolypocladium inflatum, о которых будет рассказано далее.
—-HIS4CГистидинол-дегидрогеназа—-HIS4CГистидинол-дегидрогеназаОдин из первых детальных генетических анализов нестабильных аллелей был сделан на локусе HIS4 гена S. cerevisiae в конце 70-х гг. Локус HIS4, расположенный на III хромосоме, состоит из трех групп комплементации — генов А, В и С; этим генам соответствуют активности, катализирующие последовательные этапы биосинтеза гистидина:
—-HIS4C
Гистидинол-дегидрогеназа
—-HIS4C
Гистидинол-дегидрогеназа
HIS4A H1S4B
Фосфорибозил-фосфорибозил-
АМФ-циклогидролаза АМФ-пирофосфорилаза
Ту1( 6 с . б1i Спаривание 5-элементовТу1( 6 с . б1i Спаривание 5-элементовГомологичная 1 рекомбинацияОдиночный бГомологичная 1 рекомбинацияОдиночный б++Кольцевой Tylс одним 5-элементомРис. 6. Вырезание Tyl путем обычной гомологичной рекомбинации. Кольцевая Tyl ДНК либо теряется, либо путем гомологичной рекомбинации может интегрироваться в хромосомные локусы, несущие б-подобныс элементыКольцевой Tylс одним 5-элементомРис. 6. Вырезание Tyl путем обычной гомологичной рекомбинации. Кольцевая Tyl ДНК либо теряется, либо путем гомологичной рекомбинации может интегрироваться в хромосомные локусы, несущие б-подобныс элементы
Ту1( 6 с . б1
i Спаривание 5-элементов
Ту1( 6 с . б1
i Спаривание 5-элементов
Гомологичная 1 рекомбинация
Одиночный б
Гомологичная 1 рекомбинация
Одиночный б
+
+
Кольцевой Tylс одним 5-элементом
Рис. 6. Вырезание Tyl путем обычной гомологичной рекомбинации. Кольцевая Tyl ДНК либо теряется, либо путем гомологичной рекомбинации может интегрироваться в хромосомные локусы, несущие б-подобныс элементы
Кольцевой Tylс одним 5-элементом
Рис. 6. Вырезание Tyl путем обычной гомологичной рекомбинации. Кольцевая Tyl ДНК либо теряется, либо путем гомологичной рекомбинации может интегрироваться в хромосомные локусы, несущие б-подобныс элементы
Транскрипция и трансляция генов происходит в направлении, указанном стрелками, от HIS4A^ В^ С. Экспериментально было доказано, что HIS4C последовательность перемещалась с III на IV хромосому, причем в местах ее интеграции происходили летальные рецессивные мутации (HIS4C). Перемещенный HIS4C- локус был нестабилен и с частотой до 1 % вырезался, после чего всегда происходило восстановление активности гена, в которой он был встроен. Дальнейшие исследования пролили свет на это явление: /fASVC-локус содержал Tyl (transposable yeast) элемент с прямыми повторами на концах в 334—338 н.п. (детальная схема молекулярной организации Tyl будет представлена ниже в этой главе). Однако ревертанты HIS4* фенотипически отличались от диких штаммов HIS4* и были холодочувствительными. Как оказалось, связано это было с тем, что Tyl вырезался не целиком: в локусе HIS4 оставалась одиночная ст-последоватсльность (концевой повтор), или так называемый «инсерционный след», причем эта вставка приблизительно в 300 н. п. почти не мешала функционированию локуса. Вероятно, такое вырезание происходило путем гомологичной реципрокной рекомбинации по прямым повторам а-сегментов, фланкирующих Ту 7-элемент (рис. 6).
Детальное изучение 7у7-эле-
ментов дрожжей началось с работ Дж. Камерона с соавт. в 1979 г. Было показано, что в геноме дрожжей имеется до 35 мобильных копий Tyl, что составляет приблизительно 2 % всего генома. Интеграция Ту/-элементов в геном дрожжей может быть выгодной, однако показано, что накопление большого числа Ту! копий уменьшает жизнеспособность клеток. В природе должен поддерживаться баланс между уровнем транспозиций и жизнеспособностью клеток. Ту/-элементы, как показано, способны селективно интегрироваться в определенные области генома, причем их интеграция, помимо характерного для этого класса транспозонов обратнотранскриптазного механизма, может происходить путем обычной гомологичной рекомбинации по хромосомным локусам, содер-
жащим a-элементы, т.е. по концевым повторам (см рис 6) Это бьью показано экспериментально и подтверждается наличием ом” бросанных по всему геному дрожжей одиночных копий а-элё^. ТОВ. Помимо полноразмерных Гу-элементов у 5. cerevisioe имеется примерно 100 одиночных a-элементов.
Транспозоны класса I. Транспозиции (перемещения) МЭ этого класса в новые участки осуществляются путем обратной тоанс- крипции с РНК-посредника: ДНК-> РНК-> ДНК (с участием обратной транскриптазы), т.с. происходит транспозиция, включающая РНК-интсрмедиат. Транспозоны этого класса состоят из центрального сегмента длиной несколько тысяч пар нуклеотидов и фланкирующих его длинных прямых повторов на концах размером от сотен до тысяч пар оснований (LTRs — long terminal repeats) (рис. 7) или заканчиваются с одного конца полиадени-
лированным хвостом (poly(A) tract, или poly(A) -хвостом), свойственным LINE- и SINE-элементам. Транспозоны I класса называют также LTR-ретротранспозонами за их сходство с ретровирусами животных. Несколько пар оснований в начале и в конце каждого LTR также представляют собой инвертированные друг относительно друга повторы. Встраивание ретротранспозона в новый локус сопровождается дупликацией сайта-мишени, причем размер дуплицированного участка (но не его последовательность) для данного элемента всегда одинаков. Эти ретротранспозоны, как
Рис. 7. Структурная организация дрожжевого ретротранспозона Ту1.Рис. 7. Структурная организация дрожжевого ретротранспозона Ту1.Черные прямоугольники со стрелками изображают минные.прямые концевые повторы («.последовательности); примыкающие к ним ки - прямые повторы ДНК-мишени. Напраменисцию соответствующих повторов. Инвертированныес^’на каждом из концов 5-элементов отмеченынад мобильным элементом показывает направление тран■ Р повторы - по таб не соблюден. Размер - около 5,9 тыс. » п.. прямые ко.^ыспо^ 330 н.п., прямые повторы ДНК-мишени - по 5 н.п.|ПЫеастся сан.мента, включая значительную часть его концсвы.^шнП ^ок. Ген ро!ныЛ транскрипт. Ген ^кодирует структурный Р'*<ов протеазу (PR),кодирует общий белок, который содержит вРНКазе Н (RH)интегразу (INT), обратную транскриптаз) (RT) и РНКаз.Черные прямоугольники со стрелками изображают минные.прямые концевые повторы («.последовательности); примыкающие к ним ки - прямые повторы ДНК-мишени. Напраменисцию соответствующих повторов. Инвертированныес^’на каждом из концов 5-элементов отмеченынад мобильным элементом показывает направление тран■ Р повторы - по таб не соблюден. Размер - около 5,9 тыс. » п.. прямые ко.^ыспо^ 330 н.п., прямые повторы ДНК-мишени - по 5 н.п.|ПЫеастся сан.мента, включая значительную часть его концсвы.^шнП ^ок. Ген ро!ныЛ транскрипт. Ген ^кодирует структурный Р'*<ов протеазу (PR),кодирует общий белок, который содержит вРНКазе Н (RH)интегразу (INT), обратную транскриптаз) (RT) и РНКаз.
Рис. 7. Структурная организация дрожжевого ретротранспозона Ту1.
Рис. 7. Структурная организация дрожжевого ретротранспозона Ту1.
Черные прямоугольники со стрелками изображают минные.прямые концевые повторы («.последовательности); примыкающие к ним ки - прямые повторы ДНК-мишени. Напраменис
цию соответствующих повторов. Инвертированныес^’
на каждом из концов 5-элементов отмечены
над мобильным элементом показывает направление тран■ Р повторы - по таб не соблюден. Размер - около 5,9 тыс. » п.. прямые ко.^ыспо^ 330 н.п., прямые повторы ДНК-мишени - по 5 н.п.|ПЫеастся сан.
мента, включая значительную часть его концсвы.^шнП ^ок. Ген ро!
ныЛ транскрипт. Ген ^кодирует структурный Р'*<ов протеазу (PR),
кодирует общий белок, который содержит вРНКазе Н (RH)
интегразу (INT), обратную транскриптаз) (RT) и РНКаз.
Черные прямоугольники со стрелками изображают минные.прямые концевые повторы («.последовательности); примыкающие к ним ки - прямые повторы ДНК-мишени. Напраменис
цию соответствующих повторов. Инвертированныес^’
на каждом из концов 5-элементов отмечены
над мобильным элементом показывает направление тран■ Р повторы - по таб не соблюден. Размер - около 5,9 тыс. » п.. прямые ко.^ыспо^ 330 н.п., прямые повторы ДНК-мишени - по 5 н.п.|ПЫеастся сан.
мента, включая значительную часть его концсвы.^шнП ^ок. Ген ро!
ныЛ транскрипт. Ген ^кодирует структурный Р'*<ов протеазу (PR),
кодирует общий белок, который содержит вРНКазе Н (RH)
интегразу (INT), обратную транскриптаз) (RT) и РНКаз.
и псе МЭ. образуют в геномах мультисемейства. Транспозоны этого класса, как правило, активно транскрибируются и транслируются; нссуг открытые рамки считывания (ORF — open reading frame) обратных транскриптаз. На самом деле, как, например, у дрожжей. рамок считывания в пределах транспозона может быть более одной, и все они кодируют ферменты, способствующие интеграции интронов в новые хромосомные локусы (рис. 7).
В процессе интеграции участвуют специальные ферменты, кодируемые ретровирусным геном рок Ген pol кодирует общий муль- тифункциональный белок, который содержит в качестве доменов протеазу (PR), интегразу (INT), обратную транскриптазу (RT) и РНКазу Н (RH). Сперва считывается общий транскрипт, а потом протеаза разрезает общий длинный полипептид на отдельные ферменты (происходит так называемый посттрансляционный протеолиз). Таким образом, обратная транскриптаза обеспечивает синтез комплементарной ДНК копии Ту, протеаза отвечает за посггрансляционный процессинг, интреграза необходима для транспозиции. Несмотря на обилие 7у-транскриптов, их трансляция в дрожжевых клетках протекает с очень низкой эффектив
ностью.
Механизм интеграции транспозонов I класса также впервые был продемонстрирован на примере 7у-элементов S.cerevisiae. Перенос 7у-элемента происходит с помощью обратной транскрипции РНК-копии Ту по существу таким же способом, каким синтезируется ретровирусная ДНК на ретровирусной геномной
Ь““"“Ч РНК-копияОбратная транскрипцияЬ““"“Ч РНК-копияОбратная транскрипция[$■■■■■■{1) ДНК-копия[$■■■■■■{1) ДНК-копияРН К-копияРН К-копияРНК (рис. 8). Подтверждение этому было получено в прямых опытах. С геномной ДНК элемента транскрибируется РНК- копия, но уже с короткими
Ь““"“Ч РНК-копия
Обратная транскрипция
Ь““"“Ч РНК-копия
Обратная транскрипция
[$■■■■■■{1) ДНК-копия
[$■■■■■■{1) ДНК-копия
РН К-копия
РН К-копия
Рис. 8. Упрощенная схема транс-позиции ретротранспозоновI класса.
Короткие прямые концевые повторы РНК-копии представлены в виде прямоугольников. Двухцепочечная ДНК- копия ретротранспозона — с длинными прямыми концевыми повторами (светлые прямоугольники). Прямые повторы ДНК-мишени из 5 н.п. представлены крайними прямоугольниками, примыкающими к рстротранспо- зону в месте интеграции. Масштаб нс соблюден. Остальные пояснения см. в тексте
концевыми прямыми повторами- с нее тп, книи синтезируется ДНК-копия’с /иимт™0^ '^"«Рип- и встраивается в новый сайт с ломои^^ "вторами, которая иия у ретроэлементов без ко„це~^~ Р^^концевыми прямыми повторами- с нее тп, книи синтезируется ДНК-копия’с /иимт™0^ '^"«Рип- и встраивается в новый сайт с ломои^^ "вторами, которая иия у ретроэлементов без ко„це~^~ Р^^(Транскрипция с участием ро/И, полиаденилирование(Транскрипция с участием ро/И, полиаденилированиеСплайсингСплайсингВстраивание кДНК в место асимметричного разреза в геномной ДНКВстраивание кДНК в место асимметричного разреза в геномной ДНКсайта-мишенисайта-мишениРис. 9. Дупликация сайтов-мишснсй в результате транспозиции ретропозо- на I класса при участии РН К-посредника (шгг. по: М. Сингер и П.Берг.Гены и геномы. — 1998. — Т. 2)Рис. 9. Дупликация сайтов-мишснсй в результате транспозиции ретропозо- на I класса при участии РН К-посредника (шгг. по: М. Сингер и П.Берг.Гены и геномы. — 1998. — Т. 2)
концевыми прямыми повторами- с нее тп, к
нии синтезируется ДНК-копия’с /иимт™0^ '^"«Рип- и встраивается в новый сайт с ломои^^ "вторами, которая иия у ретроэлементов без ко„це~^~ Р^^
концевыми прямыми повторами- с нее тп, к
нии синтезируется ДНК-копия’с /иимт™0^ '^"«Рип- и встраивается в новый сайт с ломои^^ "вторами, которая иия у ретроэлементов без ко„це~^~ Р^^
(Транскрипция с участием ро/И, полиаденилирование
(Транскрипция с участием ро/И, полиаденилирование
Сплайсинг
Сплайсинг
Встраивание кДНК в место асимметричного разреза в геномной ДНК
Встраивание кДНК в место асимметричного разреза в геномной ДНК
сайта-мишени
сайта-мишени
Рис. 9. Дупликация сайтов-мишснсй в результате транспозиции ретропозо- на I класса при участии РН К-посредника (шгг. по: М. Сингер и П.Берг.
Гены и геномы. — 1998. — Т. 2)
Рис. 9. Дупликация сайтов-мишснсй в результате транспозиции ретропозо- на I класса при участии РН К-посредника (шгг. по: М. Сингер и П.Берг.
Гены и геномы. — 1998. — Т. 2)
В результате транскрипции и процессинга, включающего сплайсинг интронов, образуется функциональная мРНК. на которой с помощью обратной транскриптазы синтезируется цепь кДНК; РНК-матрица затем расщепляется, например. РНКазой Н. Одноцепочечная ДНК пришивается через З'-гидроксильный коней к 5'-коицу геномной ДНК в месте несимметричного разреза, и с помощью ДНК-полимсразы синтезируется вторая цепь. Альтернативный способ состоит в синтезе двухцепочечной кДНК еще до встраивания или в присоединении цепи РНК в месте разрыва ДНК и синтезе обеих цепей кДНК in situ. В результате этих реакций образуются TSD-сайты с дуплицированными понтерами
она также осуществляется через РНК-интермедиат. Встраивание 7V-элементов всегда сопровождается дупликациями сайтов-мишеней размером 5 и. п. (рис. 9).
Подобные элементы встречаются также в геноме человека, высших растений, насекомых, и все они похожи на ретровирусы. Поэтому транспозоны этого класса еще называют ретропозона- ми, или ретротранспозонами.
Транспозоны класса II. Для них характерна непосредственная транспозиция: ДНК-> ДНК, т.е. посредством ДНК-интермедиа- та. Эта транспозоны обычно имеют длину несколько тысяч нуклеотидных пар и на концах несут короткие инвертированные повторы (ITRs — inverted terminal repeartsY При их встраивании также происходят дупликации сайта-мишени (TSDs), но длина дуплицированного участка для разных элементов варьирует. На 3'- конце одной из цепей имеется АТ-богатая последовательность, а центральная часть кодирует белки транспозазы (аналогично интронам группы I с сайт-специфической эндонуклеазной активностью). Транспозаза разрезает ДНК по специфическому сайту, а затем происходит интеграция транспозона путем генной конверсии (по типу сайт-специфической рекомбинации) (рис. 10). Транс
позиция начинается с образования одноцепочечных разрывов в донорной и реципиентной ДНК. У донора такие разрывы происходят с обоих З’-концов элемента, у реципиента — в сайте-мишени с образованием 5'-высту- пов. Далее разрезанные концы МЭ соединяются с концами ре-
Рис. 10. Общая схема рекомбинационных реакций (а—д) при транспозициях мобильных элементов II класса.
Линии соответствуют цепям ДНК. Сплошные стрелки (а) указывают сайты обязательных разрывов цепей ДНК на концах мобильного элемента, пунктирные стрелки — сайты необязательных разрывов. Штрих-линия (г) изображает репаративную репликацию в брешах ДНК-мишени, что приводит к образованию прямых повторов из нуклеотидов ДНК-мишени по бокам встроенного элемента. Эти повторы выделены утолщенными линиями (d). Остальные пояснения см. в тексте
ципиента и образуется общий промежуточный прц,уК: Ести в цепях, противоположных по отношению к разреза ним „спво начально, никаких дополнительных разрывов не происходи “о имеет место простое встраивание. В результате заполнен^ K и лигирования происходит дупликация сайта-мишени Это S ликативная транспозиция, которую и катализирует транспомзо" фактически она ускоряет разрезание на концах МЭ а затем вое' соединение разорванных концов.
Для транспозонов класса II бактерий и животных in vivo и in vitro показано, что транспозазы разрезают элемент точно по 3’- концу элемента, что обеспечивает дальнейший переброс цепи (strand transfer reaction). Разрыв по 5'-концу элемента происходит не точно по концевому нуклеотиду, а может варьировать среди различных семейств, оставляя бреши (в 2, 3 и даже 17 нуклеотидов). Далее следует реакция репарации образовавшейся бреши по 5'-концу. В этом как раз и заключается дополнительный мутагенный эффект, наблюдаемый в результате вырезания транспозона, так как репарация брешей редко восстанавливает оригинальную поел едовател ьность.
Дупликация сайтов-мишеней. Интеграция большинства МЭ, как уже было сказано выше, приводит к дупликации короткого участка ДНК в месте встраивания — в сайте-мишени интеграции (target site), поэтому каждый элемент оказывается фланкированным дуплицированными сайтами-мишенями (TSD — target site duplication) консервативной длины, а иногда консервативными бывают и сами последовательности этих сайтов. Почти обязательная дупликация сайтов-мишеней указывает на то, что, несмотря на различия в механизмах, большинство вставок сопровождается образованием в потенциальных сайтах-мишенях смешенных одноцепочечных разрывов, как это показано на рис. 9. Размер дуплицированных последовательностей у разных МЭ различается. Для транспозонов класса I характерны дупликации сайтов-мишеней определенного размера (4—8 н.п.). В то же время при встраивании транспозонов класса II происходят дупликации участков разного размера. Эго, вероятно, обусловлено специфичностью ферментов, катализирующих образование смешенных одноцепочечных разрывов в саи- тах-мишенях интеграции. Неизменность размеров дуплицированных участков, характерных для транспозонов класса I, по-види- мому, связана с тем, что ДНК разрезается специфическими эндонуклеазами, кодируемыми каждым из этих элементов.
В настоящее время описано еще одно семейство МЭ — так называемые MITEs (miniature inverted transposable elements); причем они найдены как у животных, так и у растении и грн в. небольшие транспозоны, диспергированные по всему геном обнаруживаемые как между' генами, так и в пределах интро п оследовател ьносте й.
Встречающиеся в геномах грибов неактивные и утратившие способность к перемещению МЭ обычно происходят от автономных эзементов способных обеспечивать свои собственные транспозиции Инактивация транспозонов может происходить в результате накопления точечных мутации и внутренних дслеций в пределах рамок считывания. В этом случае транспозиции неактивных элементов обеспечиваются ^лне-активизацией генов, которые находятся в других мобильных элементах (см. ниже).
Модификации и перестройки в геномах, происходящие под действием МЭ. Как правило, каждый тип мобильных элементов встречается в геноме многократно, т.е. элементы образуют семейства диспергированных повторяющихся последовательностей. Такие семейства способствуют дальнейшим геномным перестройкам, создавая сайты для неаллельных гомологичных рекомбинаций, что приводит к делениям, дупликациям, инверсиям и транслокациям. Эта способность мобильных элементов облегчать перестройки неоднократно была подтверждена на примере Ту-элементов дрожжей. Если такие перестройки происходят в единичных соматических клетках, то вероятность их влияния на функционирование всего организма мала. Но в клетках полового цикла они могут вызывать серьезные мутационные изменения и хромосомные аберрации. Если такие перестройки фиксируются в популяции в результате естественного отбора или генетического дрейфа, то это будет иметь заметные эволюционные последствия.
Транспозиции МЭ могут вызывать следующие эффекты:
хромосомные перестройки (делеции, дупликации, инверсии, транслокации) благодаря гомологичной рекомбинации между членами из одного семейства транспозонов; при этом новые копии транспозонов в геноме обеспечивают новые сайты гомологий для неравных кроссинговеров;
перемещения протяженных сегментов ДНК путем транспозиций или незаконных рекомбинаций;
изменение процесса транскрипции генов; при вырезании транспозонов происходят либо изменения генопродуктов, либо мутации смещения рамок считывания;
изменение экспрессии генов: интеграция транспозонов в структурные или промоторные области чаще блокирует экспрессию генов, но также может изменять механизм регуляции гена;
амплификация ДНК-последовательностей с образованием псевдогенов (псевдогены — это нефункциональные утратившие промоторные области гены, многие из которых не содержат и интронных последовательностей).
При детальном изучении Ту-элементов дрожжей было показа- п ’ ч™ К гсномным перестройкам может приводить также не- ппктг»пп,Г0М0Л0ГНЧНЬ1” кР°ссинговер между диспергированными р ли в сестринских хроматидах или в гомологичных хромо- 32
Гоматопшная реципрокнаярекомбинация междуфланкирующими 5Гоматопшная реципрокнаярекомбинация междуфланкирующими 5^^бинация между^^бинация междуРеципрокная рекомбинация междудвумя Ту-элементами, находящимисяв одной хромосоме и имеющимипротивоположную ориентациюРеципрокная рекомбинация междудвумя Ту-элементами, находящимисяв одной хромосоме и имеющимипротивоположную ориентациюодинаковую ориентациюодинаковую ориентациюРеципрокная рекомбинация между7>-эле ментами, находящимисяв негомологичных хромосомахРеципрокная рекомбинация между7>-эле ментами, находящимисяв негомологичных хромосомах
Гоматопшная реципрокнаярекомбинация междуфланкирующими 5
Гоматопшная реципрокнаярекомбинация междуфланкирующими 5
^^бинация между
^^бинация между
Реципрокная рекомбинация междудвумя Ту-элементами, находящимисяв одной хромосоме и имеющимипротивоположную ориентацию
Реципрокная рекомбинация междудвумя Ту-элементами, находящимисяв одной хромосоме и имеющимипротивоположную ориентацию
одинаковую ориентацию
одинаковую ориентацию
Реципрокная рекомбинация между7>-эле ментами, находящимисяв негомологичных хромосомах
Реципрокная рекомбинация между7>-эле ментами, находящимисяв негомологичных хромосомах
Неравный кроссинговер между двумяГенная конверсия
неадлсльными Гу-элементами,находящимися в гомологичных хромосомах
Рис. II. Хромосомные перестройки в результате рекомбинаций (о—е) между Ту-элсмыгтами и а-послсдовательностями (М. Сингер, П. Берг. Гены и геномы, 1998. Т. 2)
2 Льнко»
сомах, что также будет вызывать протяженные мутации, связанные с хромосомными перестройками (рис. 11). Иными словами, протяженные мутации происходят путем неравной рекомбинации между локусами, содержащими гомологичные последовательности транспозонов. Очевидно, что в ходе неравной рекомбинации могут изменяться наследование группы генов и доза генов. В случае же реципрокных рекомбинаций между противоположно ориентированными Гу-элементами, находящимися на одной и той же хромосоме, возможны инверсии; если же Ту-элементы расположены на разных хромосомах, то возникают транслокации.
Мобильные элементы грибов (транспозоны) могут обладать промоторными функциями, т.е. способны влиять на характер регуляции клеточных генов; иногда при их интеграции активность генов повышается в десятки раз. В отличие от транспозонов прокариот, переносящих целые гены, 7у-транспозоны грибов способны переносить лишь регуляторные участки, тем самым влияя на функции генов. Нередко встраивание МЭ в регуляторный или кодирующий участок приводит к подавлению экспрессии соответствующего гена, но, как правило, последствия оказываются более сложными (рис. 12). В некоторых случаях промотор, расположенный внутри самого элемента, может индуцировать экспрессию соседнего ранее молчавшего гена. Например, встраива-
Рис. 12. Встраивание Гу-элсмснта в промоторную область гена HIS4. ^хоане\1и^УЦч^ЯМСНИЮ муганта н,$4"- В результате вырезания Ty-элсмснта с сти одного из 3-ссгмснтов происходит частичная реверсия к Ш5*
ние Ту-элемснта в З’-рсгуляторпый участок соответствующей тми скрипционнои единицы может приводить к1
ским эффектам В ряде случаев транскрипция генов соседствую" тих со вставкой, прекращается, при этом Ту-элемент можст.ш" ходиться в любой ориентации. В других случаях, наоборот ^ 50-кратное увеличение уровня синтеза мРНК и соотвстстве^о продукта гена, примыкающего к вставке Ту. Интересно что у «сверхпродуцентов» Ту-элсмент всегда оказывается встроенным в промоторную область, причем транскрибируется в направлении противоположном направлению транскрипции соседнего гена. Примером могут служить так называемые ЯО/1Л/-мутации (regulated overproducing alleles responding to mating type) дрожжей 5. cerevisiae. Встраивание Tyl в 5'-фланкирующую область гена eye 7, кодирующего 2-изоцитохром С, приводило к увеличению экспрессии этого гена в 20 раз, причем сверхпродукция наблюдалась лишь в гаплоидных клетках а или а. Таким образом, транскрипция Ту7 была чувствительна к статусу клетки по типу спаривания: у диплоидов (МАТа/а) она была в 5—20 раз меньше, чем у гаплоидных клеток. Экспрессия ЛО/1Л/-аллелей снижалась при наличии Ту7, указывая на то, что их транскрипция подвержена регулированию состоянием клетки, определяемым типом спаривания.
Теперь рассмотрим детально некоторые транспозоны, обнаруженные в грибных геномах.
Транспозоны класса I
Одним из первых транспозонов, обнаруженных у мицелиальных грибов, был Тш77-ретропозон Neurospora crassa. Он был описан в 1989 г. у штамма Adiopodoume Дж. Кинси и П.Хелбером (J.Kensey, Helber). Авторы, работая с геном, кодирующим глютаматдегидро- геназу ат, изолировали два мутанта со вставкой в 7 тыс. н.п., которую назвали Tadl (transposable Adiopodoume). МУ-элемент представлял собой умеренно повторяющуюся последовательность без длинных терминальных повторов на концах (non-LTR ретропо зон). В экспериментах Tadl вызывал протяженные мутации типа дупликаций, а его полное секвенирование показало наличие гомологий с консервативными последовательностями обрати транскриптазы. Подобные последовательности обн;1Р^"ы же среди ретропозонов млекопитающих, названных LINE-элеле ?ами" был способен автономно передаваться из^- ^ в гетерокарионах. В цитоплазме обнаруживали также пол1u ротнныс^НК-транскрипты с Tadl,^стельствую-ш^о проис- ходящих процессах транскрипции. Это позв^п , п0_
механизм передачи данных транспозонов и Р‘ t ^^„g) срсдничсском участии РНК (аналогично non-LTR-retroposons,
Транспозон CFT-1, обнаруженный у патогена томатов, Clado- sporium fulvum, длиной 6968 н.п., также кодирует обратную транскриптазу имеет длинные концевые повторы длиной 427 н.п. и чхктикации в 5 н.п. в сайтах интеграции. Этот транспозон очень бзизок бТ^т-классу LTR-ретропозонов с длинными концевыми повторами. Помимо обратной транскриптазы этот ретропо- зон содержит ОРС других ферментов интеграции — gag- и pol- генов (в их состав входят последовательности, гомологичные протеазе, интегразе, обратной транскриптазе и РНКазе Н), типичных для ретроэле.ментов животных. В пределах LTRs найдены также последовательности, характерные для промоторных участков структурных генов, которые расположены за 20 26 н.п. до точки инициации транскрипции («Goldberg-Hogness box»).
Подобный транспозон класса I обнаружен у возбудителя аспергиллеза — патогена человека (Aspergillusfumigatus — A/utl). Рет- ропозон длиной 6914 н.п. с длинными концевыми повторами (282 н.п.) имеет домены, гомологичные обратной транскриптазе, РНКазе Н и эндонуклеазе, характерные для ретровирусов, и также принадлежит gypsy-группе. Однако этот элемент имеет дефект функции за счет многочисленных стоп-кодонов (мутации типа транзиций — transitions С G ->Т А).
Обнаруженный у шампиньона Agaricus bisporus транспозон класса 1 Tab! связан с вариабельностью диких линий гриба. Имеется приблизительно 50 копий в геноме.
Ретроэлемент класса I с длинными концевыми повторами (LTRs), названный «Grasshopper», или «кузнечик», обнаружен у возбудителя пирикуляриоза риса Magnaporthe grisea. У гриба описано еще одно семейство повторяющихся последовательностей — MGR586, диспергированных по всему геному. Как полагают, с присутствием этих элементов в геноме гриба связано явление значительного полиморфизма рестриктов ДНК (RFLPs). Изучая сегрегацию полиморфных рестриктов ДНК, несущих эти последовательности, ученые сделали предположение о том, что эти транс- позонподобные элементы вызывают неслучайные хромосомные перестройки, что приводит к гетерокариотическому состоянию ядер в вегетативном мицелии гриба. Позже в пределах этого семейства MGR586 повторяющихся последовательностей выделили новую группу ретротранспозонподобных элементов с длинными концевыми повторами (LTRs), названную fosbury. Еще один ретротранспозон I класса, обнаруженный у Magnaporthe grisea и названный MAGGY (от Magnaporhte grisea gypsy), был способен к гетерологичному переносу, т. е. передавался другим видам грибов, таким, как CoUetotrichum lagenarium, Pyricularia ringiberi, причем частота транспозиций у разных видов была различна (Т. Nakayashiki
Транспозиции осуществлялись через РНК-поспсдникп > г^Г1''"^ MAGGY”™ кодировала две ОРс'^
Транспозоны класса II
К транспозирующимся через ДНК-посредника элементам эука риот принадлежат семейства HAT, Fotl/pogo и Tcl/marinerоб™ ружейные в различных царствах эукариот. Следует заметить что транспозоны II класса также широко встречаются среди мицелиальных грибов. Члены семейства НА Т имеют характерные дупликации саитов-мишеней (TSD) в 8 н.п., возникающих в сайтах их интеграции, и гомологии ак-последовательностям (аминокислотным последовательностям) транспозаз. К семейству АЛ Г относятся недавно обнаруженные: ЛАг/-элемент Agaricus bisporus, Folytl- транспозон Fusarium oxysporum, restless-элемент Tolypocladium injlatum, scooter-элемент Schizophyllum commune. Ascot-1 Ascobolus immersus. Транспозон Ascot-1 был изолирован из мутантной аллели локуса Ь2, отвечающего за окраску аксоспор. Но в отличие от типичных элементов МТ'-семейства Abrl не кодирует свою соб
ственную транспозазу и имеет нетипичный TSD в 7 н.п.; по-ви- димому, он неактивный (не может перемешаться автономно), хотя и стабильно наследуется у культивируемых штаммов шампиньона.
Scooter-транспозон — это первый мобильный элемент из семейства HAT с TSD в 8 н.п. и инвертированными повторами в 32 н.п., обнаруженный у базидиального гриба Schizophyllum commune. Был описан как инсерционная мутация в генах, нарушающих половые скрещивания. Две почти идентичные копии (scooter-1 и scooter-2), способные активно перемешаться, встречались практически у всех проанализированных штаммов гриба. Scooter-1 сначала был обнаружен как вставка в локусе В^2, а имен
но в гене рецептора феромона — bbr2, приводящая к частичному нарушению при половом спаривании. Scooter-1 был способен время от времени вырезаться из Мг2-локуса рецептора феромона, что всегда сопровождалось восстановлением функции Вр2-рецептора. Scooter-2-транспозон прерывал ген thnl (вызывал gene disruption), что фенотипически проявлялось как морфологическая мутация thin — быстро растущие мицелиальные сектора на фоне нормачь- ного роста колоний. Показано, что ген thnl кодирует регулятор сигнального G-белка (RGS-белок - regulator о/ G signaling protein) и участвует в регуляторной цепи передачи ассоциированных с G-белками трансмембранных сигналов, что в свою очередь реп лируст экспрессию гидрофоб и новых генов. Рецептор феромонов, спаренный с G-бслком, передает внутри клеточный сгочцкз каскад MAP-киназы, что ведет к индукции морфогенетиччк
геноп ' хптлпов thin наблюдали снижение синтеза или полное отсутствие в цитоплазме мРНК. кодирующих гидрофобины. Пре- оыйние (disruption) гена thnl имело плсйотропный эффект, свя- занный с вегетативным ростом и половым развитием гриба.
В изящных экспериментах американские исследователи Т. Фоулер с соавт. высказали предположение о том, что транспозирую- щиеся элементы scooter влияют на сигнальную систему, опосре- юванную белковыми взаимодействиями, что в свою очередь приводит к регуляции путей бесполого развития или формирования плодовых тел у 5. commune. Спонтанные инсерции scooter в гены с проявляющимися мутантными фенотипами представляют первое свидетельство активных транспозиций ДНК-опосредованных транспозонов у базидиомицетов. Ввиду относительно короткой длины этих МЭ у них отсутствуют протяженные О PC, способные кодировать собственные транспозазы; мобильность элементов обеспечивается транспозазами, закодированными где-то еще в геноме 5. commune.
Мобильный элемент restless из семейства АЛТ-транспозонов обнаружен у продуцента иммуносупрессорного циклического белка циклоспорина — гриба Tolypocladium in/latum. Его длина 4,097 тыс. н.п.; он имеет инвертированные концевые повторы в 20 н.п. и сайты-мишени дупликаций в 8 н.п. Рамка считывания прерывается интронной последовательностью; считывается два полипептида (157 и 803 ак), один из которых (803 ак) гомологичен транспозазам. Все семь хромосом гриба, разделенные электрофорезом в пульсирующем поле, несут копии этого транспозона, т.е. 15 копий транспозона диспрегированы по гаплоидному геному. С помощью «ловушек транспозонов» (transposon traps), используя мутанты по гену нитратредуктазы (л/о), было показано, что это активный транспозон, способный вырезаться и интегрироваться в новые локусы генома. У других проанализированных штаммов (непродуцентов) этот транспозон не обнаружен.
Анализ Ds-подобного транспозона Ascotl у Ascobolus immersus предполагает связь между реакцией вырезания транспозонов hAT- семейства и У^Р^-рекомбинацией (разновидностью эктотипичес- кой рекомбинации) (см. гл. 3). При вырезании транспозонов класса разрыв по 5-концу элемента происходит не строго по концевому нуклеотиду, а образующиеся при этом бреши редко восстанавливают исходную оригинальную последовательность. Это обеспечивает высокий уровень вариабельности ДНК последовательностей в участках вырезания транспозонов.
азличные фенотипические и генетические проявления от вы- резания транспозона Ascot 1 были продемонстрированы на нестаро Д^°М локУсе окРаски аскоспор — Ь2. Было идентифицировано нк1^п2»ЧНЫХ МОЛСКУЛЯРНЫХ продуктов, образующихся вследствие ия транспозона. Эти продукты различались по частоте по- 38
явления, и большинство из них имели дополните;с копоткие п^индромиыс нуклеотидные последовательпости в места обпа зования брешей (незаполне сайтов), примыкающих к 5'-кон‘ нам транспозона, причем, как было показано, они не синтези" ровались по матрице комплементарной цепи образовавшейся бпе- ши. Авторы объяснили этот факт тем, что вырезание и репарация пустых сайтов сопровождалась нс простым механизмом соединения концов (end-joining reaction), а параллельно с вырезанием происходила V(D)J (эктотипичсская) рекомбинация, сопровож- даемая образованием шпилечных промежуточных структур на что и указывает образование палиндромов на концах. Палиндромные последовательности, возникающие в результате V(D)J рекомбинации, являются дополнительным источником вариабельности, обеспечивают спектр спонтанных мутаций.
Интересными являются также данные о частоте появления тех
или иных типов продуктов, свидетельствующие о том, что дальнейшая судьба транспозона после вырезания связана с процессингом в сайте вырезания, т.е. от того, какие перестройки происходят в сайте вырезания транспозона. Показано, что V(D)J-pe- комбинация — это процесс, затрагивающий соматические клет
ки, происходит преимущественно в последнем митотическом цикле перед мейозом у Ascobolus.
Несколько различных транспозонов из класса II обнаружено у возбудителя вилта (увядания) культурных растений (хлопчатника, льна, овощных) Fusarium oxysporum. Например, Fo/7-элемент был обнаружен как инсерция по гену нитратредуктазы — niaD; это относительно короткая последовательность в 1,9 тыс. н.п. с инвертированными повторами на концах в 44 н.п. (Т.Langin, М. Daboussi). Элемент кодирует транспозазу и встречается у различных специализированных форм и рас гриба, причем дивергенция нуклеотидных последовательностей между специализированными формами не превышает 1 %; следовательно, этот элемент уже присутствовал у предковых изолятов до специализации гриба по растениям-хозяевам. В геномах различных рас гриба может встречаться от 1 до 100 копий Fot/-элемента, что было показано в экспериментах по гибридизации с диспергированными по геному Fusarium повторами при использовании /b/7-последователь- ности как зонда. Показано значительное сходство Fot7 с классом
7с 7-транспозонов.,
У Fusarium oxysporum обнаружено семейство транспозоноподоо- ных элементов класса II — impala. Впервые они были изолирова ны у нестабильных мутантов по niaD-локусу (гену нитратред^к тазы) (Т. Langin, Р.Сару, М. Daboussi, 1995). Это™'
зон протяженностью 1280 н.п. с инвертированными повторами на концах (ITRs) в 27 н.п. (ТА insertion specificity), семейству 7с7-элсментов, впервые описанных х -и р
Impala-nocюдователыюсть кодирует траиспозазу; однако нс все копии в геноме способны автономно реплицироваться, некоторые из них дефектны за счет прерывания последовательностей несколькими стоп-кодонами. Impala-элементы образуют семейство, разделенное на 4 подсемейства, характеризующиеся различной степенью дивергенции: полиморфизм между подсемействами составляет от 9 до 30 %. Как и Foil, эти элементы обнаружены почти у всех специализированных форм Fusarium. Надо особо подчеркнуть, что оба эти элемента — impala и Foil — способны к транспозиции с высокой частотой и некоторые их копии могут существовать автономно. Это одна из первых находок (1996) автономных транспозонов у мицелиальных грибов.
Tfo 1-транспозон Foxysporum протяженностью 2763 н.п. с инвертированными повторами на концах (ITRs) в 15 н.п. — еще один представитель класса II, который также кодирует транспозазу, обеспечивающую транспозиции данного элемента с ДНК на ДНК.
Геном другого фитопатогенного гриба, Pyricularia огугае (те- леоморфа — Magnaporthe grisea), чрезвычайно вариабельного возбудителя пирикуляриоза риса, буквально «нашпигован» различными МЭ. Например, элемент Pot2 гриба, впервые обнаруженный у диском ицетов и названный Flipper, имеет инвертированные концевые повторы (ITRs) в 43 н.п., а его протяженность составляет 1857 н.п. Pot2 имеет ОРС-транспозазы с высокой степенью гомологии с Го//-элементом. Имеется приблизительно 100 копий на гаплоидный геном. У Magnaporthe в пределах Pot2-элемента находятся короткие (470 н.п.) повторяющиеся последовательности со свойствами типичных 5^Е-элементов (short interspersed repeat sequences) — Mg-SINE, которые, вероятно, были амплифициро- ваны в результате многократных транспозиций. Mg-SINE обнаружены не только в пределах Pot2 -элемента, но и в других участках генома на всех хромосомах; это своеобразные диспергированные повторы. Они найдены у штаммов, изолированных из растений риса и других злаков. У них отсутствуют ясно выраженные открытые рамки считывания, однако их транскрипты обнаружены в цитоплазме. РНК-транскрипты имеют типичную для тРНК структуру кленового листа с некоторыми модификациями по спаренным нуклеотидам. Очевидно, SINE-элементы для собственной транскрипции используют обратнотранскриптазную активность других ретроэлементов. По типу транспозиции их можно отнести к классу. Поскольку Mg-SINE встречаются у «рисовых» и «нери- ссвых» штаммов, полагают, что это предковый элемент, возникши в геноме гриба до его специализации по растениям-хозяевам.
качестве справки заметим, что SINE-элементы — это корот- ^испергированпыс ПОВТ°РЫ ялиной 100-500 н.п. Полагают, пРе™яют собой процессированные псевдогены, одящис от генов класса 111, транскрибируемых с помощью 40
цитопл°=^
ности SINE гомологичны последовательностям соотвстствиощих РНК-гонов .Типичным для 5/№элементов является иаличиТп^ мотора РНК-полимсразы III и прямых повторов на концах которые являются саитами-мишенями дупликаций (TSD)- они со держат также А-обогащенную З’-концевую последовательность
Транспозиция SINE, очевидно, осуществляется путем обратной транскрипции с участием РНК полимеразы III: МУЕтранскриби” руются в кДНК копии, которые интегрируются в геномную ДНК Показано, что их встраивание в новые геномные участки приводит к нарушениям РНК-последовательностей (truncation) изменению полиаденилирования РНК и модифицированию белковых структур. Они обнаружены в интронах, некоторые из них фланкируют гены; встречаются также в сателлитных ДНК и в составе кластеров вместе с другими инсерционными последовательностями.
LINE (long interspersed repeats), о которых упоминалось ранее в главе, — это тоже диспергированные повторы, но их длина достигает 6 тыс. н.п. и более. Они так же, как и 5ЕУЕ-последова- тельности, часто бывают фланкированы прямыми повторами, которые, вероятно, служат сайтами-мишенями дупликаций (TSD); на их З'-конце также имеется аденозинобогащенная последовательность (так называемый А-хвост, или A-track). Но в отличие от SINE, LINE-последовательности не являются псевдогенами каких-либо генов, а представляют собой типичные мобильные элементы класса I, чьи амплификация и интеграция в новые геномные сайты произошли в результате обратной транскрипции с соответствующих РНК.
Транспозоноподобный элемент класса II, обнаруженный у мутантного по гену нитратредуктазы, — niaD, штамма возбудителя серых гнилей Botrytis cinerea, назван Flipper. Его протяженность составляла 1,8 тыс. н.п. с инвертированными повторами 48 н.п. на концах и одной ОРС, гомологичной транспозазе. Среди штаммов Botrytis наблюдали варьирование по числу копий на геном — от 0—20 копий. Было обнаружено значительное структурное сходство с Ро/2-транспозоном M.grisea и Е<я/-элементом F. oxysporum.
Интересной оказалась находка у мутантов по гену нитратредуктазы niaD Aspergillus niger var. awamori транспозонподобных элементов Vader й 437 н.п. с инвертированными концевыми повторами в 44 н.п. Число копий на геном не превышало 1э. “™я™°: что столь короткая нуклеотидная последовательность (.
не способна кодировать полноценную белковую послед ность, и, как результат, в пределах данного было обнаружено никаких ОРС. Однако мобиль”°Х^й „«- пий была опосредована транспозазкои активностью , р.
педоватепыюсти - Tani, длиной 1668 н.п., имеющей только одну копию в геноме гриба, но несущей ОРС-транспозазы, которая и обеспечивала транспозиции Vader-элементов. Показано, что последовательности Vader и Tani образуют общий кластер. Таким образом в геноме гриба имеются одна копия Tani и несколько мобильных копий Vader, диспергированных по всему геному. Tani имеет до 30 % гомологий в нуклеотидных последовательностях с Pot2 М. grisea и Fot 1 F oxysporum. Примеры обнаруженных в грибных геномах транспозонов приведены в табл. 3.
Таблица 3. Встречаемость транспозонов различных классов в геномах грибов
Транспозоны класса 1
Транспозоны класса 11
ДНК->РНК->ДНК
ДНК->ДНК
ОРС: гены RT, gag, рок Повторы — LTRs
OPC: TPase. Повторы — ITRs
Saccharomyces cerevisiae
Tyl— 5,9тыс. н.п., 330 н.п. LTRs, RT, gag, pol
ТуЗ — 4,748 тыс. н. п., 340 н. п. LTRs, RT, gag, pol
Ту4 — 6,2 тыс. н. п., LTRs, RT gag, pol
Neurospora crassa
Tadl — 7 тыс. н.п., non-LTRs, RT
punlRiPi — 1,9тыс. н.п.
Teen — сорш-подобный, LTRs, RH
Tgll, Tgl2 — gypsy-подобные
dabl
Fusarium oxysporum f.spp.
Skippy - 7,846 тыс.н.п., 429 н.п. LTRs, RT, gag, pol
Foil — 1,9 тыс. н. п., 44 н. п. ITRs, TPase, 1 — 100 копий
Impala — 1,28тыс. н.п., 27 н.п. ITRs, Tpase
FolytI — 2,615 тыс. н.п., 9 н.п. ITRs, 8 н.п. TSD, Tpase
Tfol — 2,763 тыс. н.п., 15 н.п. ITRs, TPase
Neel ria haematococca (Fusarium solanif. sp. pisi)
Nhtl — 2,198 тыс. н.п., ITRs, TPase, 1 — 100 копий
—— Ок 0)i4п и up hi мА - *>
Транспозоны класса I
Magnaporthe grisct
MIUVJ,J
Транспозоны класса II
MAGGY S'psy-подобный, gag, pol
\* ivuiuna ory^ae)
So -J?5/TUCН П.
ITRs, TPase, 100 копий
Grasshopper
Mg-MNE-A*^ н.п.
MGRL-3 — 6 тыс. н.п., LTRs
MGR586— 1,86тыс. н.п.,42 н.п. ITRs
Fosbury — LTRs
Aspergillus niger var. Awamori
Tani 1,668 н.п., TPase, 1 копия
Vader — 437 h. n., 44 и. n. ITRs, 15 копий
Aspergillus /umigatus
Afutl — 6,914 тыс. н.п., 282 н.п. LTRs, RT, RH
Cladosporium fulvum
СИ I - 6,УЬ8 тыс. h. n., 427 h. n. LTRs, RT, gag, pol
Botrytis cinerea
Ripper — 1,842 тыс.н.п., 48bp ITRs, TPase, 0—20 копий
Ascobolus immersus
Ascot 1 — 409 н.п., 25 н.п. ITRs
Podospora anserina
Pat — 1,856 тыс. н.п., 53 н.п. ITRs, 20—25 копий, RIP
Agaricus bisporus
Tabi, Tab2 - 850 н.п. LTRs, > 50 копий
Abrl-из HAT, ITRs, 7 н.п. TSD
Schizophyllum commune
Scooter — из HA T, 32 h. n. ITRs, 8 h. n. TSD, Tpase
Phanerochaete chrysosporium
Peel — 1,747 тыс. н.п.. ITRs, 4 копии
Tolypocladium injlatum
| Restless - из HAT- 4,097 тыс. н. п..
120 н.п. ITRs, TPase, 15 копий
Участие транспозонов в патогенезе
Сейчас пытаются связать наличие транспозонов в геномах грибов с их патогенностью. Например, получены косвенные данные о возможном участии транспозонов в патогенезе возбудителя гель- минтоспориоза кукурузы Cochliobolus carbonum. За патогенность штаммов на кукурузе отвечает НС-токсин, представляющий собой циклический полипептид, секреция которого контролируется дуплицированной последовательностью ДНК 7ох2-локуса (22 тыс. н.п.). Эта область фланкирована повторяющимися элементами, гомологичными транспозонам Fotl F. oxysporum и Pot2 Magnaporthe grisea. У резистентных растений вырабатывается НС- токсинредуктаза (HCTR - продукт гена Нт Г), инактивирующая НС-токсин.
У растений показано накопление некоторых транспозонов в их геномах в ответ на внедрение грибного патогена. Например, /?/т2-транскрипт накапливается в растениях риса как в случае совместимых, так и несовместимых взаимодействий между растением и патогеном Magnaporthe grisea. Rim 2-транскри пт имеет гомологии с СЛСГЛ-транспозонами других растений.
У фитопатогенного гриба гороха Nectria haematococca (анамор- фа Fusarium solani J. sp. pisi) показано наличие В-хромосом, нестабильных во время полового воспроизведения. Чаще всего В-хромосомы грибов инертны, т.е. их последовательности не транскрибируются, как, например, у патогена риса Magnaporthe grisea. Однако в некоторых случаях гены, расположенные на В-хромосомах, непосредственно участвуют в патогенезе, играют роль во взаимодействиях хозяин —патоген. Эти хромосомы у патогена гороха несут гены, ответственные за детоксикацию фитоалексинов растения-хозяина, что значительно повышает патогенность данного гриба. Например, В-хромосома размером 1,6тыс. н.п. имеет два гена — Pda6 и Maki, непосредственно участвующие в патогенезе. Pda6-veu кодирует фермент из семейства цитохромных генов Р450 (монооксигеназ), который повышает вирулентность штаммов гриба на горохе за счет того, что продукт Pda6- гена инактивирует основной защитный фитоалексин гороха — пизатин. Мак 1-ген контролирует синтез фермента, инактивирующего другой фитоалексин — медикарпин. На одной из этих хромосом были обнаружены повторы ДНК, содержащие транспозоноподобный Nhtl-элемент (II класса), длиной 2198 н.п. и с инвертированными концевыми повторами. Элемент содержит два интрона и кодирует белок в 550 ак (аминокислотных последовательностей), высоко гомологичный транспозазе Го//-элемента.
пределах северо-американской популяции гриба Nht/-транспо- зои встречается неравномерно. У различных природных изолятов число копий варьирует от 0 до 100 на 1 геном. У штамма, у кото- 44
рого он был обнаружен, имеется шесть копий лого нестабильной хромосоме.1 Л лемента на
а>т|визировдть^б%шн^^^способных
у F. ох„/. $Р.
с длинными повторами LTRs в 429 н п- 'Мб н.п.
“^ ретроэлементов 1 класса. Под влиянисм^^овых условии среды индуцировали транспозиции этого элемента Во время роста гриба в присутствии хлората калия в среде отбирали мутанты, устойчивые к хлорату и дефектные по гену нХтре дуктазы niaD. При сравнении дикого исходного фенотипа с тремя отобранными мутантами было обнаружено, что мутанты содержали тандемные копии 5^-последовательностеи в новых участках генома, т.е. ^-элементы интегрировались в новые сайты и одновременно происходила потеря резидентных s^-элементов* имеющихся у дикого типа. Индукция транспозиций 7у7-элемен- тов происходила под действием осмотического стресса, нехватки азота в среде и повышенных температур.
Механизмы защиты от чрезмерных транспозицийи поддержание интегративной целостности геномов
Процессы, ответственные за пластичность геномов, в том числе и транспозиции МЭ, несомненно, предоставляют видам много преимуществ, увеличивая их шансы на выживание и адаптацию в изменяющихся условиях окружающей среды. Транспозиции мобильных элементов выступают весьма динамичной силой генома, нарушая кодирующие последовательности генов (gene disruption), изменяя экспрессию соседних генов, облегчая крупные хромосомные перестройки. Однако слишком высокий уровень изменчивости и мутабильности может становиться с какого-то момента вредным. Слишком частые перемещения мобильных элементов могут привести к дезинтеграции генома, к нарушению его целостности. Нс вызывает сомнений, что негативные эффекты действия транспозонов сопровождались одновременной эволюцией механизмов контроля за их активностью.
Одним их таких механизмов контроля активных транспозиции мобильных элементов является RIP-процесс (repeat induced point mutation), связанный с накоплением точечных мутаций в кодирующих последовательностях транспозонов. На Neurosporacrassa показано, что дуплицированные ДНК-последовательности эффек тивно обнаруживаются и подвергаются изменениям (модифика циям) во время полового цикла в момент кариогамии при уч* с тии Я/Р-процесса — индуцированных в повторах точ^“. ций (транзиций) нуклеотидов GC к АТ. При этом R .
наб подаются у нейроспоры в последовательностях длиной не мс- н'е 400 и п те бозее протяженные дупликации гораздо эффективнее подвержены мутированию. RIP фактически снижает го- моюгии между дупликациями, тем самым уменьшая вред от накопления дупликаций, так как при этом снижается вероятность гомологичных обменов, приводящих к крупным хромосомным перестройкам. RIP происходит до или во время премейотическо- го синтеза ДНК на обеих цепях дуплекса. Д/Р-мутации чаще всего являются молчащими, но могут возникать нонсенс- и миссенс- мутации, а также функционально мутантные аллели.
' В нескольких работах на примере Тд^-элемента из группы LINE Neurospora crassa было показано, что активно транскрибируемые перемещающиеся ^^-последовательности имеются только у штамма Adiopodoume, в то время как у других штаммов почти все копии Tad неактивны. Экспериментально было показано, что активный Гд^-транспозон быстро элиминировался в половом цикле и что за это был ответствен механизм индуцирования в повторах точечных мутаций — RIP, чаще всего транзиций нуклеотидов G С к А Т. Как заключили авторы, это и есть тот механизм, который «подсчитывает» количество активных транспозонов в геноме. У нейроспоры обнаружен еще один тип повторяющихся последовательностей, представленный семейством дегенеративных ретроэлементов класса I с четкими гомологиями их последовательностей обратным транскриптазам, РНКазам Н и эндонуклеазам ро/-гснов, — dabl (dead and buried). Эти транспозоны потеряли свою активность (способность обеспечивать собственное перемещение) благодаря RIP-процессу, который подтверждается наличием многочисленных замен G-С на А-Т (диагностический признак RIP). Дефектные Tad-копии чаще всего обнаруживают в районах центромер и теломер, где много различных повторов.
Дегенеративные копии MAGGУ-элементов, подвергшиеся действию R1P, были обнаружены у изолятов Pyricularia oryzae. Дегенеративный транспозон Pat обнаружен также у диких штаммов Podospora anserine*, длиной 1856 н.п. с несовершенными концевыми инвертированными повторами в 53 н.п.; его ОРС имеет гомологии с рамками считывания транспозаз. Данный транспозон неактивен и дефектен за счет многочисленных стоп-кодонов, возникших в результате RIP.
Процессы метилирования ДНК также можно рассматривать как один из возможных механизмов контроля за распространением к ^экспозициям (активных) мобильных элементов.
^еигозРог*а crassa и Ascobolus immersus продемонстриро- ь,и механизм маркирования дуплицированных последо- ностеи путем их метилирования. Метилирование последова- <остеи приводит к нарушению их транскрипции (transcriptional 46
silencing), повышает мутабильмлрп.
бируст рекомбинацию. Это своего р”х= " И""" шумов» в геноме, обеспечивающий молчание з^ньТгсн” пых копии. Последовательности, модифицированные RIP пЛ но яаляются сигналом для последующего -метилирован^ ДНК так как последовательности, подвергшиеся RIP-мугированию мот продолжать транскрибироваться с образованием транскрипта ненормальной длины. Избыток ненужных транскрипций может быть губительным для нейроспоры, поэтому сопряженное с RIP метилирование ДНК будет ингибировать дальнейшую транскрипцию генов, мутировавших в результате RIP. Однако это только лишь предположение о том, что функция метилирования в геноме нейроспоры направлена на «успокаивание» (подавление) транскрипции RIP-модифицированных последовательностей. Более того, экспериментально было показано, что реверсия мутантного гена ат к дикому типу зависит от степени метилирования ДНК внутри встроенной Tad-последовательности, т.е. эпигенетический контроль гена, инактивированного транспозоном, зависит от степени метилирования ДНК.
Таким образом, «транскрипционный механизм молчания» обеспечивается метилированием ДНК, но существует и «посттранскрипционный механизм молчания», вызываемый дестабилизацией РНК. Посттранскрипционный механизм изучался на мутантах Neurospora crassa; были идентифицированы участвующие в процессе РНК-зависимые РНК-полимеразы и RecQ-геликазоподоб- ные белки, гомологи которых вовлечены в процессы репарации и рекомбинации ДНК. У дрожжей и человека описаны ДНК-геликазы, функция которых заключается в поддержании стабильности генома и подавлении незаконных рекомбинаций. Последовательности с высокой степенью гомологии этим белкам — RecQ- геликазам — были обнаружены в теломерных участках на концах хромосом Usatilago maydis, что, как можно предположить, обеспечивает поддержание стабильности хромосом. Показано также, что 7>-элементы дрожжей в основном сосредоточены в «молчащих» теломерных участках хромосом. Процесс можно также рассматривать как стратегию, приобретенную в ходе эволюции многими семействами мобильных элементов, чтобы минимизировать «разрывы» функциональных генов (genome disruption). Это своеобразный и довольно простой механизм защиты от чрезмерной эктотипической изменчивости и поддержания целостности гено-
По-видимому, именно субтеломерные и теломерные участки хромосом можно рассматривать как своеобразные ниши.^которые оккупируются транспозонами с целью снижения ВР влияния последних на геном. Так, в пределах телом€^“* ъ ров у зеленой водоросли Chlorella в основном сосредоточены рет-
47
роэтементы LINE-семейства; подобное явление обнаружено так- ^Чп’Г^чпыхтипа транспозонов обнаружены на специфической теломере рисового патогена Magnaporthe gnsea: Pot2, Mg- т»ги новый транспозон с длинными прямыми концевыми по- втооами MGLR-3 (длиной 6 тыс. н.п.). Участок теломеры подвер- пыся делениям у спонтанно приобретших вирулентность штаммов патогена. , „ _
У грибов и растений подобные области предпочтительной локализации транспозонов обнаружены также и в центромерных участках: например в центромерном участке VII хромосомы Neurospora crassa Некоторые повторы являются сорш-подобными ретроэлементами, названными Тсеп, и приурочены исключительно к центромерным участкам. В VII центромерном участке имеется также несколько других дегенеративных транспозонов: gypsy-подобный TglL последовательность которого прерывается двумя крупными инсерциями, гомологичными неполным копиям То^-элемента. Дегенеративные копии Гд^-элементов обнаружили также в районе центромеры III хромосомы и субтеломерной области IV хромосомы.
Дупликации генов. Семейства генов. Псевдогены
Роль амплификации последовательностей ДНК в эволюции геномов признана многими исследователями. Сходные последовательности в пределах одного генома в принципе могут возникать как независимо, так и при копировании исходной уникальной ДНК-последовательности. За амплификацию последовательностей в составе кластеров или последовательностей, рассеянных по новым геномным локусам, отвечают разные механизмы. Амплификацию ДНК-последовательностей могут вызывать мобильные транспозоны, что в дальнейшем может привести к образованию псевдогенов. Псевдогены — это потерявшие промоторные участки генные последовательности. Псевдогены могут возникнуть также в результате тандемных дупликаций, произошедших вследствие неравного кросс ин го вера. Полагают, что так произошли кластеры генов рРНК, тандемно повторяющиеся в геноме грибов от десятков до сотен раз (рис. 13).
Итак, дуплицированные гены могут быть подвержены дальнейшему мутированию с образованием псевдогенов. Далее эти «дремлющие» псевдогены могут активизироваться мобильными элементами, как это было экспериментально показано для E.coli.
е^1™0' НС слУ**айно в семействе лигнинпероксидазных генов аг ° ^н^3 ^^anerochaete chrysosporium, состоящем из 10 ге- , наружен транспозоноподобный элемент Peel в первом 48
tr (транспозон) ген Аtr (транспозон) ген А/г/г
tr (транспозон) ген А
tr (транспозон) ген А
/г
/г
Неравная рекомбинация
Хромосома с одной копией tr (деления)
гск A trген А
Гомологичная хромосома с 2 копиями гена А и 3 копиями tr (дупликация)Рис. 13. Формирование дупликаций и делеций.
Процесс может происходить путем неравной рекомбинации между гомологичными хромосомами по участкам, несущим транспозоны, в результате чего образуются две гомологичные хромосомы с перестройками: одна — с делецией, другая — с дупликацией
//р/2-гене. Десять //p-генов расположены на трех хромосомах, причем 8 из них тесно сцеплены. Вставка Рее! в 1747 н.п. с инвертированными концевыми повторами (класс П), примыкающая к четвертому интрону гена Пр12» инактивирует транскрипцию данного гена, однако аллельный гомолог этого гена //р// в диплоидных клетках не подвержен действию данного транспозона. В пределах этого элемента не обнаружено никаких О PC. С помощью анализа сегрегации и гибридизации по Саузерну показано, что геном гриба содержит 4 копии Рее /-подобных элементов с 98 % гомологий между ними (и это удивительно, так как ни одна копия не имеет про
тяженных рамок считывания). Местонахождение этих транспозоноподобных элементов в геноме не случайно, и все они локализо
ваны на одной хромосоме в 3,7 Mb. Восемь //p-генов также расположены на этой хромосоме. Три копии сцеплены друг с другом,
но только одна РсеУ-копия связана с геном, вовлеченным в лиг
ноцеллюлозную деградацию. Локализацию всех копий на одной хромосоме, вероятно, можно объяснить амплификацией последо
вательностей в результате неравных кроссинговеров между повторяющимися элементами. Функцию этого элемента продолжают изу
чать. Различные //p-гены гриба дифференцированно экспрессируются в ответ на стрессовые условия среды. Например, гены Пр2 и
Ир5 активизируются в условиях нехватки азота и углерода в среде. Гены имеют 8 — 9 интронов длиной 50—62 н.п.
Семейства генов обнаружены и у других грибов. Например, \ трутового гриба Polyporus pinsitus (возбудителя бурой гнили) об-
напоено 5 лакказных генов 1ссЬ5; все они содержат от 8 до II интронов причем положение ряда интронов консервативно у всех пяти генов Два лакказных гена, тесно сцепленных между собой, обнаружены v шампиньона Agaricus bisporus, вешенки Pleurotus ostreotus у вызывающего белую гниль трутового гриба Trametes viUosa Семейство генов кислой фосфатазы у дрожжей насчитывает 4 ти более как сцепленных, так и диспергированных генов; причем регуляция генов осуществляется по-разному: один ген репрессируется фосфором, второй им индуцируется, третий конститутивный. У биотрофного аскомицета спорыньи Claviceps purpurea два полигалактуроназных гена pgl и pg2 высокогомологичны, тесно сцеплены между собой и расположены тандемно друг за другом. Тандемные повторы часто обнаруживают как между генами, так и в пределах интронных последовательностей. Они могут содержать от двух нуклеотидов и более. Например, повтор S-CA содержится во многих геномных локусах и теломерах дрожжей. Тандемные повторы, где бы они ни находились, как правило, связаны с межвидовым полиморфизмом. Происхождение подобной вариабельности можно объяснить неравным кроссинго- вером между родственными неаллельными повторами или «проскальзыванием» при репликации. Многие диспергированные повторы, на долю которых может приходиться от 2 — 9% ДНК в геноме, представлены мобильными элементами длиной в несколько тысяч нуклеотидных пар.
Дупликации могут затрагивать структурные части генов, при которых структурные последовательности удваиваются с потерей кодонов-терминаторов. В результате подобных дупликаций возникают гены, кодирующие полипептиды, состоящие из повторенных участков аминокислотных последовательностей. Так возникают мультифункциональные белки. Примером может служить муль- тифункциональный полипептид arom N.crassa с молекулярной массой 150000 Да (дальтон), который обладает сразу пятью ферментативными активностями, участвующими в последовательных этапах биосинтеза ароматических аминокислот. Это уникальная находка для биотехнологических процессов.
У многих видов грибов обнаружен полиморфизм по длине и количеству хромосом, описаны минисаттелитные хромосомы, или -хромосомы. Причем этот полиморфизм может быть следствием как митотических, так и мейотических делений. Хромосомный полиморфизм обнаруживают с помощью электрофореза в пульсирующем поле (так называемый CHEF). Недавние исследования показали, что наличие В-хромосом у грибов часто не проявляет- с фенотипически, а сами В-хромосомы состоят из повторяю- ииХ.СЯ последовательностей и некоторых генов, которые инерт- и гл//^еЛ^НСКРГ^ИРУ15>тся’ как* напРимер, у Magnaporthe grisae о пс ит gleosporium. Однако известны случаи, когда гены, 50
расположенные на S-хромосомах, участвуют в патогенезе и иг рают важную роль во взаимодействии хозяин-патоген как напои мер, описанный выше случай наличия v ' ’ напРи' гороха Nectria haemorococca (анаморфа Fusarium £% 'Ж 5-хромосоме (в 1,6 Mb) двух функциональных генов Pda6nMaki непосредственно участвующих в патогенезе. Л
В экстремальных условиях у грибов могут происходить аббеоа- ции хромосом, связанные с потерей целых хромосом и привом- шие к гетероплоидности ядер: например, описанная в экспериментах потеря хромосом длиной 960 тыс. н.п. в результате теплового шока у возбудителя головни Ustilago hordei.
Мобильные элементы митохондриальных геномов.
Плазмиды
Митохондриальный геном грибов представлен циклической молекулой ДНК без гистоновых белков, характерных для эукариотической ядерной ДНК. Размеры митохондриальных геномов малы по сравнению с ядерными и могут значительно различаться среди организмов. Варьирование в размерах в основном обеспечивается за счет некодирующих последовательностей, таких, как интроны и межгенные области, причем многие интроны кодируют белки, обеспечивающие их сплайсинг и мобильность. Например, мт-ДНК дрожжей состоит примерно из 85 тыс. н.п., у Podospora anserina — более 100 тыс. н.п. (табл. 4). Гены, кодирующие структурные белковые компоненты митохондрий, локализованы в ядре. Однако несколько белков кодируются неядерной ДНК и синтезируются на особых рибосомах митохондрий. Таким образом, органеллы (митохондрии и хлоропласты) — это результат объединенных усилий двух геномов и двух трансляционных аппаратов. РНК-компоненты рибосом, а также тРНК, использующиеся при трансляции, кодируются геномами митохондрий и хлоропластов. В митохондриях имеется свой стандартный набор генов: гены ферментов дыхательной цепи, участвующие в процессах окислительного фосфорилирования, гены рРНК, тРНК, гены АТФаз. Например, мт-геном дрожжей в основном представлен некодирующими участками и следующими генами: два гена рРНК (большой и малой субъединиц LrRNA и SrRNAY 25 генов тРНК и 26 последовательностей, кодирующих полипептиды, участвующие в окислительном фосфорилировании (рис. 14).
Репликация кольцевых молекул мтДНК происходит по принципу катящегося кольца и не связана с клеточным циклом (РИМитохондриальные геномы, как и ядерные, также демонстрируют присутствие разнообразных мобильных элементов, назы
51
Таблица 4. Размеры митохондриальных геномов у организмов из разных царств
Организм
Размер митохондриальной ДНК, н.п.
Pichia canadensis (дрожжи)
27 694
Schkosaccharomyces pombe (дрожжи)
19431
Saccharomyces cerevisiae (дрожжи)
85 779
Podospora anserina (аскомицет)
100314
Chlamydomonas reinhardtii (зеленая водоросль)
15 758
Paramecium aurelia (простейшие)
40 469
Arabidopsis thaliana (покрытосеменные)
166924
Brassica hirta (покрытосеменные)
208 000
Cucumis melo (покрытосеменные)
2 400 000
Drosophila melanogaster (насекомые)
19517
Xenopus laevis (земноводные)
17 553
Mus musculus (млекопитающие)
16 295
Canis familiaris (млекопитающие)
16 728
Homo sapiens (человек)
16 569
ваемых плазмидами. Наряду с транспозонами, интронами и вирусными частицами плазмиды принадлежат к разряду так называемой эгоистической (selfish) ДНК. Большинство обнаруженных плазмид локализованы в митохондриальных геномах и чаще всего их наличие в геноме не проявляется фенотипически. Однако описаны также killer-плазмиды и плазмиды, связанные с различной вирулентностью и патогенностью штаммов. Плазмиды эукариот в основном встречаются в царстве грибов. Они обнаружены во многих природных популяциях грибов. Возможно, преобладание плазмид среди грибов связано со спецификой их жизненных циклов, физиологией, средой обитания, т.е. можно предположить, что их наличие в геномах обеспечивает грибам некие преимущества в прорастании и распространении.
Плазмиды мицелиальных грибов можно разделить на три класса согласно их структуре (линейной или циклической) и наличию гомологии с участками мтДНК:
линейные плазмиды, не имеющие гомологий с мт-хромо- сомой;
ковалентно замкнутые циклические олигомерные плазмиды, не имеющие гомологий с мт-хромосомой, могут вызывать синдром старения;
Цитохромоксидаза cl
Рис. 14. Митохондриальный (мт) геном дрожжей 5. cerevisiae, содержащийв основном нскодирующие последовательности. Остальные пояснения см.
в тексте
Рис. 15. Схема репликации коль-цевых молекул ДНК по принципу♦катящегося кольца»:
— исходная биспиральная молекула; 2 — вновь синтезированные спирали; 3 — З'-консц; 4 — 5*-консц. Вновь синтезированная линейная молекула ДНК восстанавливает кольцевую структуру за счет рекомбинации по общему механизму в точках гомологичных последовательностей при наличии некоторой концевой избыточности
ковалентно замкнутые циклические олигомерные плазмиды." имеющие гомологии с мт-хромосомой и вызывающие синдром старения (senescence).
Линейные мт-плазмиды
Большинство мт-плазмид - это линейные молекулы ДНК с концами, блокированными белками, и со своим собственным циклом размножения и функциями.
Обшие характеристики линейных мт-плазмид:
. имеют ОРС для ДНК-полимераз (кодируют ДНК-полимеразы); ДНК-полимераза обеспечивает их репликативный синтез;
некоторые из них кодируют РНК-полимеразы;
имеют концевые инвертированные повторы TIR (terminal inverted repeats), а также терминальные белки, связанные с 5'-кон- цом ДНК-молекулы, что напоминает некоторые ДНК-содержа- шие вирусы (аденовирусы). Терминальные белки защищают линейную молекулу ДНК от действия экзонуклеаз.
ДНК- и РНК-полимеразы, кодируемые плазмидами, способствуют их передаче другим митохондриям. Плазмиды характеризуются большим числом копий на геном и стабильностью. Они способны к автономной репликации, т.е. их репликация осуществляется независимо от транскрипции ядерных генов.
Линейные плазмиды имеют некоторые структурные сходства с линейными плазмидами растений (цитоплазматическая мужская стерильность кукурузы), бактериальными транспозонами и аденовирусами. Хотя линейные плазмиды имеют некоторое сходство с другими линейными экстрахромосомными элементами, функциональных сходств между ними обнаружить пока не удалось.
Бурное изучение мт-плазмид пришлось на конец 70-х—80-е годы прошлого столетия и было связано с поиском векторов, удобных для горизонтального переноса генов. С этой точки зрения перспективными были молекулы ДНК, способные автономно реплицироваться и проявляться фенотипически. Поэтому в поле зре
ния исследователей часто попадали так называемые киллер-плаз- миды (killer), имеющие четко выраженное фенотипическое проявление — старение мицелиальных культур.
Много линейных плазмид обнаружено у фитопатогенных грибов. Например, у возбудителя спорыньи Claviceps purpurea плаз- ^“ 6,7 тыс. н.п., имеет две рамки считывания — ДНК- и РН К-пол имераз. Есть еще другие типы плазмид различ- нои длины у этого гриба. У возбудителя вилта многих культурных растений, Fusarium oxysporum, специализация по хозяевам связана с присутствием различных плазмид, например плазмиды pFoxL2.
Плазмиды обнаружены у слабопатогенных штам«о- и ■ зо/ши, но отсутствуют у высоковирулентных штаммов и С'°т° наоборот, потеря вирулентности может быть связана с п™ 3’ плазмид, как у Gauemannomyces graminis* ютсРеи
протяженностью »70^ ДР°ЖЖСЙ ""^"'^ laabpGKL-l, протяженностью в 8,9 тыс. н.п., с инвертированными kohucrm ми повторами (TIRs) в 200 н.п.:концсвы-
5 -конец ДНК-полимераза Токсин а + р5 -конец ДНК-полимераза Токсин а + рТсрминальные белкиТсрминальные белкиТоксин уТоксин уTIRTIRФакторустойчивостиФакторустойчивостиА3-конецА3-конец
5 -конец ДНК-полимераза Токсин а + р
5 -конец ДНК-полимераза Токсин а + р
Тсрминальные белки
Тсрминальные белки
Токсин у
Токсин у
TIR
TIR
Факторустойчивости
Факторустойчивости
А
3-конец
А
3-конец
Эта плазмида линейна и локализована в цитоплазме. Локализация сс в цитоплазме отдельно от митохондрий является основным отличием этой плазмиды от других линейных, локализованных в митондриальных геномах. Плазмида имеет 4 ОРС: ДНК- полимеразы, токсинов а + р и у, фактора устойчивости. Клетки, несущие плазмиду, убивают клетки, ее не имеющие, т.е. плазмида является генетической основой к/7/ег-фенотипа. Она может экспрессироваться также в гетерологичном хозяине, например 5. cerevisiae. Плазмида является идеальным объектом для использования ее как вектора при переносе генов из одного организма в другой. Киллер-плазмиды обнаружены также и у возбудителя головни — грибов рода Ustilago.
Несколько различных плазмид обнаружено в геномах грибов из рода Neurospora, например kalilo и maranhar плазмиды N. intermedia; линейная плазмида kalilo длиной в 9 тыс. н.п., с инвертированными концевыми повторами в 1364 н.п.; Maranhar — 7 тыс. н.п., TIR — 600 н.п. Эти плазмиды несут инвертированные концевые повторы и последовательности, гомологичные ДНК- и РНК-полимеразам. Обе плазмиды агрессивно вирулентны, и, как показано, в природных популяциях частоты их встречаемости растут из года в год. Kalilo-плазмида (ка! ДНК) интегрируется в различные участки мт-генома, однако предпочитает ген большой субъединицы рРНК (LrRNA) и, как полагают, в месте интеграции инактивирует ряд генов, т.е. происходит gene disruption нарушение транскрипции генов (считывания генетической информации). А^/'/о-плазмида не видоспецифична и может передаваться другим видам. Частота ее передачи новым клеткам при формировании гетерокарионов невысока, но дефектный мт-гено.м, не сущий эти элементы, подавляет дикий тип и проявляется фено типически как «синдром старения» культур: после продолжитель ного вегетативного роста наступает лизис вегетативных клеток
гриба. В природных популяциях нейроспоры с мест пожарищ на Гавайях 30 % штаммов несли «стареющий» фенотип (А«/ДНК), а через два гола в той же популяции было обнаружено уже 47 % штаммов с Ao/ДНК, т.е. ^ел^х/г-фенотип передавался с большой скоростью между вегетативно совместимыми штаммами. Kalilo-плазм илы обнаружены также среди природных штаммов N.crassa в Африке, Центральной и Южной Америке.
* " Мт-плазмида pFoxL2 возбудителя вилта культурных растений, F. oxysporum, может передаваться горизонтально при слиянии цитоплазм различных штаммов.
Ковалентно замкнутые циклические мт-плазмиды
Второй класс плазмид представлен ковалентно замкнутыми циклическими молекулами, не имеющими гомологий с мтДНК и вызывающие синдром старения культур. Циклические мт-плазмиды описаны у всех видов Neurospora. Например, плазмида Varkud (3,7 тыс. н.п.) обнаружена в природных популяциях N. intermedia в Индии, а плазмида Mauriceville (3,6 тыс. н.п.) выделена из природных штаммов N. crassa в Техасе. Несмотря на отдаленное географическое происхождение, обе плазмиды имеют свыше 97 % гомологий в своих последовательностях (практически идентичны). Они были обнаружены при изучении вариабельности мтДНК. РНК-транскрипты с р!ДНК (плазмидной ДНК) кодируют обратную транскриптазу, которая сама производит себе подобную кДНК-копию с pl-транскрипта, следовательно, репликация и интеграция плазмиды в мтДНК осуществляются с помощью обратной транскрипции (по типу а-^ел-последовательности Podospora). Плазмиды Varkud и Mauriceville по принципу их репликации можно назвать ретроэлементами митохондрий. К тому же обратная транскриптаза этих плазмид похожа на вирусную РНК- зависимую РНК-полимеразу ретровирусов и, по-видимому, это примитивный ретроэлемент, связанный с ранними предками ретровирусов.
У Neurospora описаны также циклические мт-плазмиды, кодирующие ДНК-полимеразу. LaBelle (4,1 тыс. н.п.), Fiji (5,2 тыс. н.п.) и Harbin-1 плазмиды N. intermedia. Все они имеют до 93% гомологий между собой. Классическим примером циклической плазмиды является 2-мкм плазмида S. cerevisiae.
Циклическая мт-плазмида pCRYl обнаружена у возбудителя голландской болезни вязов — гриба Cryphonectria parasitica. Циклическая плазмида размером 4,2 тыс. н.п. и кодирующая ДНК- полимеразу, была способна передаваться как через анастомозы (горизонтально) между вегетативно совместимыми штаммами гриба, так и со 100%-й эффективностью через конидии (верти- 56
калию) вызывая по всех случаях снижение патогенности итм мов гриба. При этом аллельные различия в локусах вегетативной несовместимости не всегда подавляли горизонтальную псрсдачт этой плазмиды. Плазмида имеет гомологии с циклическими пла - мидами LaBelle и Fiji нсйроспоры.
Третий класс — это циклические плазмиды, имеющие гомологии с mt-ichomom и вызывающие синдром старения до некоторой степени сходны с транспозонами, что делает возможным предположить их некую эволюционную связь. Эти плазмиды способны автономно существовать, поэтому, возможно, их стоит рассматривать обособленно от других плазмид. Примером может служить недавно обнаруженная экстрахромосомная ДНК у Р. anserina рА12-1 с характеристиками, типичными для линейных плазмид, она может существовать как в интегрированной в мт-геном форме, так и в автономной циклической. Эта плазмида также связана с явлением старения культур (как и a-sen ДНК) и способна модулировать продолжительность жизни штаммов:
ее потеря приводит к уменьшению продолжительности жизни штаммов, а приобретение, напротив, влечет за собой долгоживущий фенотип, причем все «долгоживущие» штаммы содержат ее как в автономной циклической, так и в интегрированной формах.
Вирусы
Р^РЯ^-содержащие вирусы обнаружены в цитоплазме ряда патогенных грибов, причем их наличие может вызывать как повышенную вирулентность, так и гиповирулентность штаммов. Например, у паразита каштанов аскомицетного гриба Cryphonectria (Nectria) parasitica гиповирулентность штаммов связана с наличием реплицирующихся в цитоплазме dsPHK (12712 н.п.), несущих две рамки считывания — РНК-зависимой РНК-полимеразы и АТФ-зависимой хеликазы. Вирусы получили названия HAV1 и CHV1-713. Некапсидированные (нс покрытые белковыми оболочками) молекулы dsPHK способны передаваться через цитоплазму между вегетативно совместимыми штаммами (через анастомозы) независимо от митохондрий. У гиповирулентных штам мов наблюдаются снижение синтеза оранжевых пигментов, подавление конидисобразования и ослабление секреции лакказ i ie- редача возможна только между вегетативно совместимыми штал-
Распространснис этой вирусной РНК в популяции ш^.^ гриба может быть использовано как биоконтроль р Р' J^ ния болезни каштанов в природных ПОПУ™Ц,^Х- связанные с гиповирулентностью и имеющие
мой РНК-полимеразы и ЛТФ-зависимой хеликазы обнаружены штаммов Rhizoctonia solani, у патогена кукурузы Fusarium gra- mincarum У содержащих вирусную ДНК (размером 7,5 тыс. н.п.) штаммов Fusarium наблюдали ограниченный рост мицелия, повышенную пигментацию, снижение вирулентности и уменьшение в 60 раз уровня секреции микотоксина трихотецина.
У Neurospora обнаружили ss-циклическую мт-РНК (вирусоподобную) способную к автономному сплайсингу по аналогии с интронами группы I: это 881н.п.-рибозим, названный VSRNA. Имеется также малое число копии dsRNA, колинеарных к VSRNA. Как происходит репликация этих частиц, пока не ясно, хотя и обнаружено сходство с интронами, способными к автономному сплайсингу. Однако интеграция этих частиц в геномную ДНК не была продемонстрирована экспериментально.
Р^РЯЛ-вирусная последовательность у Agaricus eisporus — вставка по гену лакказы led, связана с так называемой La France болезнью шампиньонов — побурением плодовых тел. У другого коммерчески важного базидиомицетного гриба, Flammulina veluiipes, широко культивируемого в Японии, также обнаружена dsPHK, влияющая на окраску плодовых тел, что снижает их коммерческую ценность. У Fusarium роае — продуцента трихотецина — все штаммы, способные секретировать трихотецин, содержали вирусоподобные частицы dsPHK. У этих же штаммов выделили клон кДНК ZIT1 в 1209 н.п., представленный умеренно повторяющимися последовательностями; секвенирование показало гомологии некоторых повторов с транспозоноподобными структурами.
Таким образом, за последние 25 лет коренным образом изменился взгляд на явление фенотипической и генотипической нестабильности у грибов. Нестабильность может быть связана с частыми перемещениями транспозонов, с пересортировкой различных цитоплазматических элементов, с потерей В-хромосом, несущих гены авирулентности и т.д.
Ядерный статус грибов
Грибы из различных таксономических групп различаются как жизненными циклами, так и плоидностью ядер в вегетативной и репродуктивной фазах. Все возможные варианты ядерного статуса грибов представлены в табл. 5.
Так, гомокарион может быть монокарионом, дикарионом или мультикарионом в зависимости от количества ядер в клетках вегетативного мицелия, в то время как гетерокариотичные ядра могут быть у гриба с дикариотичным или мультикариотичным мицелием. Гетерокариотичные ядра в мицелии могут быть и гап- 58
Таблица 5. Ядсрный статус грибов
Число ядер в клетке
Монокарион
Дикарион 1 Мультиюпипи
Состав ядер
Одинаковый — гомокарион
Различный — гетерокарион
Число наборов хромосом
1л — гаплоиды
2л — диплоиды
более 2л — полиплоиды
Состав хромосом
1 омозиготы. Гстсрозиготы
лоидными, и диплоидными, и даже полиплоидными. Дикарион может быть гетерокарионом с гетерозиготными диплоидными ядрами и т.д.
Жизненный цикл грибов
Дж. Рэйпер (Raper) выделил 7 жизненных циклов у грибов.
Бесполый цикл характерен для несовершенных, или мета- споровых, грибов, которые утратили половую стадию, например грибов родов Fusarium, Cladosporium, Verticillium. У них нет мейоза в жизненном цикле, а присутствует только митоз. Поэтому рекомбинации происходят в парасексуальном цикле.
Гаплоидный цикл встречается у зигомицетов, вегетативный мицелий которых представляет собой мультикарионом с гаплоидными ядрами. В таком многоядерном мицелии без клеточных перегородок ядра делятся митотически по мере удлинения гиф. У гетероталличных видов, например Phycomyces blakesleeanus, для образования диплоидной зигоспоры необходимо слияние кончиков гиф (гаметангиев) противоположных типов спаривания (+ и -). После непродолжительного периода покоя зигоспора прорастает в спорангий, где происходит мейоз, сопровождающийся многочисленными митозами, в результате чего в спорангии образуются многочисленные гаплоидные споры, которые дают начало многоядерному гаплоидному мицелию (рис. 16).
Гаплоидный с ограниченным дикарионом жизненный цикл широко встречается среди эуаскомицетов — родов Emericella, Neurospora, Sordaria, Podospora, Ascobolus и др. Большинство генетически изучаемых видов грибов принадлежит аскомицетам с данным жизненным циклом, характеризующимся продолжительном гаплоидной фазой и ограниченной во времени дикариотическои фазой. Вегетативный мицелий этих грибов представлен чаше всего мультикарионом с гаплоидными ядрами, а дикариотичная фаза — аскогенными гифами (рис. 17). Мейоз следует сразу же после кариогамии (слияния ядер). В половом цикле у многих эуаскомице-
Рис. 16. Гаплоидный жизненный цикл на примере Phycomyces blakesleeanus тов дифференцированные мужской (антеридий) и женский (аскогон с трихогиной) гаметангии сливаются цитоплазмами без слияния гаплоидных ядер, т.е. образуется дикарион. У Neurospora crassa спермациями служат одноядерные микроконидии, имеющие оранжевую окраску и обильно образующиеся во влажных теплых условиях. Из аскогона вырастают аскогенные гифы, ядра дикариона в которых синхронно делятся (рис. 17). На аскогенных гифах по способу крючка развиваются сумки: конечная клетка аскогенной гифы загибается крючком, ядра дикариона располагаются в месте перегиба и одновременно делятся. Пара ядер противоположного пола остается в месте перегиба, а ядра другой пары мигрируют по одному в апикальную и базальную клетки, после чего образуются две перегородки, отделяющие одноядерные конечную и базальную клетки. Далее эти клетки сливаются и восстанавливается дикарион. Средняя же двухъядерная клетка крюч- 60
ка развивается в сумку. В сумке ядра дикариона сливаются, после чего следует мсйоз с последующим митозом, что и приводит к формированию восьми эндогенных аскоспор в сумке.
Среди данной группы грибов встречаются как гомоталличные, так и гетероталличные виды, причем гетероталлизм биполярный (см. гл. 5). У гомоталличного (самофертильного) вида Aspergillus nidulans аскоспора прорастает в многоядерный гаплоидный мицелий, дающий обильное образование одноядерных конидий на конидиеносцах: из кончиков многоядерного конидиеносца прорастают одноядерные стеригмы, дающие начало вторичным стеригмам, отпочковывающим цепочки одноядерных конидий. Если у представителей рода Neurospora вегетативный мицелий представ-
Рис. 17. Гаплоидный жизненный цикл с ограниченным дикар на примере Neurospora crassaРис. 17. Гаплоидный жизненный цикл с ограниченным дикар на примере Neurospora crassaАскогсниая гифаАскогсниая гифа
Рис. 17. Гаплоидный жизненный цикл с ограниченным дикар на примере Neurospora crassa
Рис. 17. Гаплоидный жизненный цикл с ограниченным дикар на примере Neurospora crassa
Аскогсниая гифа
Аскогсниая гифа
лен мультикарионом с гаплоидными ядрами, то у грибов рода Venturia клетки мииелия одно- или двухъядерныс. Большинство пиреноминетов формируют микро- и макроконидии. Микроко- нилии Podospora anserina служат одновременно мужскими гаметами. У большинства эуаскомицстов образуются сумки (тетрады или октады аскоспор) с упорядоченным расположением в них аскоспор, однако встречаются виды с неупорядоченными тетрадами (октадами) спор, как, например, у Ascobolus immersus.
Гапло-дикариотический цикл характерен для базидиомице- тов — гимено- и гастеромицетов, ржавчинных грибов. Среди них встречаются как гомоталличныс, так и гетероталл и чные виды. Продукты мейоза — базидиоспоры — образуются экзогенно на
илиилиРис. 18. Гапло-дикариотический жизненный циклРис. 18. Гапло-дикариотический жизненный циклна примере Coprinus lagopusна примере Coprinus lagopus
или
или
Рис. 18. Гапло-дикариотический жизненный цикл
Рис. 18. Гапло-дикариотический жизненный цикл
на примере Coprinus lagopus
на примере Coprinus lagopus
специальных клетках - базидиях. Мейо, происходит в бая, ,иях и дает начало четырем наружным гаплоидным базидиоспорам вы растающим на стеригмах. Дикариотическая фаза протоки ная и у многих видов характеризуется образованием пряжек па мицелии. Формирование дикариотического мицелия происходит при слиянии мицелиев противоположного типа спаривания что характерно для гетероталличных видов (рис. 18). Гаплоидная го- мокариотическая фаза может также быть продолжительной и функционировать как гаплоидный мицелий. Пряжка гомологична крючку аскогенной гифы. Дикариотическая фаза заканчивается слиянием ядер в базидии с образованием диплодного ядра, которое сразу же подвергается мейозу.
Среди гименомицетов встречается как биполярный, так и тетраполярный гетероталлизм, выражающийся в генетических различиях по типам спаривания, как, например, у представленного на рис. 18 Coprinus lagopus. Базидиоспоры прорастают в разветвленный септированный мицелий с одно-, реже двухъядерными клетками (гомокариотический мицелий), который продуцирует одноядерные клетки — оидии. Далее гомокарионы, совместимые по половым факторам, способны сливаться, формируя дикарио- тический мицелий с пряжками. На таком мицелии могут формироваться дикариотичные хламидоспоры. Мейоз, происходящий в базидии, приводит к образованию четырех гаплоидных базидиоспор противоположных типов спаривания, прорастающих гомо- кариотическим мицелием.
Дикариотический цикл характерен для очень ограниченного числа грибов, а именно, головневых грибов (Ustilaginales). Дикариотический мицелий распространяется по межклетникам тканей зараженных растений. Базидия вырастает из покоящейся клетки — диплоидной телиоспоры. Плодовых тел не образуется. Морфогенез у этой группы грибов несколько упрощен, так как они являются паразитами растений. Диплоидная телиоспора прорастает четырехклеточной, реже одноклеточной базидиеи, где и происходит мейоз и образуются гаплоидные базидиоспоры (рис. 19). У возбудителя пузырчатой головни кукурузы, гриба Ustilago maydis базидиоспоры прорастают немедленно путем почкования в одноядерные споридии, способные расти на искусственной питательной среде. Только споридии, имеющие различные аллели по обоим локусам спаривания (как при тетраполярном гетероталлизме), способны сливаться и формировать патогенный дикарион. Дикариотический мицелий развивается в растении-хозяине.
Гапло-диплоидный цикл характерен для водорослей и грибов, имеющих изоморфную смену генераций, например бласток- ладиевых из хитридиомицетов ^Allomyces). Диплоидныи спорофит образует зооспоры и мейоспорангии (цисты). Бесполое Р83^ женис осуществляется подвижными зооспорами со жгутик
Рис. 19. Дикариотичсский жизненный цикл на примере Ustilago maydis
дающими такие же диплоидные спорофиты. Мейоспоры прорастают с редукционным делением, и выходящие из них гаплоидные зооспоры прорастают в гаплоидные гаметофиты с гаметангиями. Гаметы обычно мельче зооспор. Из зиготы после копуляции гамет снова вырастает спорофит. Гаметангии могут быть дифференцированы.
Диплоидный цикл — ядра зиготы претерпевают митотические деления и вегетативный таллом диплоидный, характерен для Saccharomyces cerevisiae и других сахаромицетных дрожжей, а также дпя оомицетов, например Phytophthora infestans. У данной группы грибов преобладает диплоидная стадия, как, например, у дрожжей, почкующиеся клетки которых на богатой углеводами среде являются диплоидными. При истощении запасов углеводов в питательной среде в клетках дрожжей происходит мейоз диплоидных ядер, в результате чего образуются сумки с четырьмя 64
эндогенными гаплоидными аскоспорами (рис. 20). Аскоспоры дают начало гаплоидным штаммам, которые также способны почковаться, но чаще они сливаются с образованием диплоидных клеток. Диплоидные клетки образуются в результате слияния гаплоидных клеток противоположных типов спаривания а и а (биполярный гетероталлизм); мейоз происходит в сумке с образованием 4 гаплоидных аскоспор противоположных типов спаривания (по две споры а и а).
У фитофторы мицелий диплоидный, гриб гетероталличный, т.е. требует слияния особей, различающихся по типам спаривания. После того как гаметангии объединяются (антеридиальная гифа присоединяется к оогонию), происходит кариогамия ядер и образуются диплоидные ооспоры, прорастающие диплоидным мицелием. Половой процесс у некоторых видов фитофторы (например, Phytophthora infestans) в природе происходит крайне редко, и гриб размножается диплоидными зооспорами, образующимися в спорангиях.
Гаплоидное почкование
Почкование диплоидов
Рис. 20. Диплоидный жизненный цикл на примере S=«h=n,m«« cerevisiae
3 Дьякон
Гетерокариоз
Явление многоядсрности (мультикариотичности) клеток у грибов впервые изучил Х.Ханзен в 1932 г. на возбудителе серых гнилей Botryns cinerea. Гетерокариоз — это ассоциация двух и более генетически разнородных ядер в одной клетке.
Гетерокариотическое состояние ядер может возникнуть вследствие следующих основных процессов:
. мутаций исходных ядер первоначального гомокариона (генетически гомогенного мицелия); обнаружить подобное явление можно у монокариотичных грибов путем отрезания кончиков гиф и их изоляцией;
. слияния монокариотических мицелиев, как, например, у ба- зидиальных грибов; слияние гомокарионов, различающихся типами спаривания, приводит к формированию дикариона (гетерокариона);
• анастомозов между гифами генетически разнородных мицелиев без слияния ядер, как, например, у фитопатогенных грибов Pyricularia oryzae, Rhizoctonia solani и др.; однако слияние разнородных мицелиев у грибов контролируется генами вегетативной несовместимости (см. гл. 5).
Р. Пухалла выделил два основных типа гетерокариоза:
- Neurospora, при котором клетки мультикариотичны и происходит свободная миграция ядер в клетках и между ними;
Verticillium, при котором клетки вегетативного мицелия в норме монокариотичны и ядра не мигрируют из клетки в клетку, в результате этого образуются мозаичные колонии.
Адаптационные преимущества гетерокариоза для грибов очевидны. Гетерокариоз обеспечивает гаплоидным организмам те же преимущества, которыми обладают гетерозиготные диплоиды, а именно: рецессивные мутации скрыты у диплоидов и маскируются доминантными аллелями. Однако рецессивный фенотип при гетерокариозе может случайно выщепляться в результате митотических делений, что можно наблюдать как сектора в культуре данного гриба. Такие сектора на фоне вегетативно растущих колоний могут различаться по окраске, скорости роста и другим морфологическим признакам, и они будут свидетельством вариабельности данного организма.
Гетерокариотическое состояние у многих грибов нестабильно. Его стабильность зависит прежде всего от способа размножения гриба. Так, у Rhizoctonia наблюдали стабильное состояние гетеро- кариотичности, а именно, все природные штаммы были гетеро- кариотичными. У грибов, интенсивно размножающихся одноядерными спорами бесполого происхождения, наблюдается быстрый распад гетерокарионов на исходные (родительские) гомокарионы. Например, у таких грибов, как Aspergillus nidulans, Penicillium sp., 66
Pyricularia oryzae, Neurospora crassa, образуются одноядерные споры (микроконидии), поэтому при споровом рассеве происходит моментальный распад гетерокарионов. У грибов родов Fusarium, Helminthosporium, Botrytis образуются многоядерные конидии, поэтому гетерокарионы будут более стабильными, а при споровых рассевах получаются три типа колоний, как гетерокариотические, так и гомокариотические, соответствующие исходным родительским гомокарионам. Расщепление, или распад, гетерокарионов — это случайные события, а соотношение ядер одного из трех типов (гомокариотических и гетерокариотических) в гетерокарионе при каждом последующем рассеве конидий можно рассчитать по формулам:
г(1 - г) + а(п - 2л). ,,. г(1 - л) + Ь(п - 2г)
Р ’> V — Р) ~ п \’
лл(1 - г)
где р — доля ядер одного типа (гомокариона-1); (1-/0 — доля ядер другого типа (от гомокариона-2); г доля гетерокариотич- ных конидий; а, b — доля гомокариотичных конидий двух типов а и Ь; л — среднее число ядер в конидиях.
Глава 2
МУТАЦИИ
Типы мутаций и факторы, их индуцирующие.Специфика отбора мутантов у грибов
Генетика грибов получила свое развитие благодаря индуцированию и изучению мутаций по многим генам, как цитоплазматическим, так и ядерным. Без мутаций невозможно было бы идентифицировать те или иные гены, не говоря уже об изучении их функций. Мутации могут возникать спонтанно в популяции клеток, хотя и с низкой частотой, и могут быть индуцированы УФ-излучением, рентгеновскими лучами, а также целым рядом химических мутагенов. Современная молекулярная биология предлагает новые подходы и методы получения и изучения мутаций: направленный (site-directed mutagenesis) и инсерционный (REMI = restriction enzyme mediated insertions) мутагенез.
Мутации можно классифицировать по месту возникновения:
ЯдерныеЯдерныеГенные: нонсенс, миссенс, (точковые)Хромосомные: дупликации, делении, транслокации, инверсии (протяженные)Геномные: анеуплоиды, полиплоидыГенные: нонсенс, миссенс, (точковые)Хромосомные: дупликации, делении, транслокации, инверсии (протяженные)Геномные: анеуплоиды, полиплоидыЦитоплазматическиеI 1' —ЦитоплазматическиеI 1' —Митохондриальные: протяженные (делеции), точковыеПлазмидные: делеции, точковыеМитохондриальные: протяженные (делеции), точковыеПлазмидные: делеции, точковые
Ядерные
Ядерные
Генные: нонсенс, миссенс, (точковые)
Хромосомные: дупликации, делении, транслокации, инверсии (протяженные)
Геномные: анеуплоиды, полиплоиды
Генные: нонсенс, миссенс, (точковые)
Хромосомные: дупликации, делении, транслокации, инверсии (протяженные)
Геномные: анеуплоиды, полиплоиды
Цитоплазматические
I 1' —
Цитоплазматические
I 1' —
Митохондриальные: протяженные (делеции), точковые
Плазмидные: делеции, точковые
Митохондриальные: протяженные (делеции), точковые
Плазмидные: делеции, точковые
Генные мутации затрагивают какой-либо отдельный ген. Хромосомные мутации могут затрагивать крупные участки хромосом или структуру хромосом.
Генные мутации по фенотипическим проявлениям делят следующим образом (рис. 21).
Миссенс (missence) — мутации, при которых происходит превращение одного значимого кодона в другой, что затрагивает структуру мРНК и в дальнейшем выразится в изменении аминокислотной (ак) последовательности. Миссенс-мутации приводят к ак-заменам и соответственно утрате белком его функции или изменению активности белка; эти мутации могут ревертировать благодаря супрессорным мутациям, вызывающим ошибочное считывание мутантного кодона.
ДНК
Нет мутации
ТСА ACT
мРНК
UCA
Белок
Синтезируется белок дикого типа
днк
। ТСА 1AGT
Миссенс-мутация
Нонсенс-мутация
Молчащая мутация
Новый кодон кодирует Apyiyro аминокислоту, что приводит к изменению ак-послсдоватсльности
Новый кодон является стоп-кодоном, что приводит к преждевременной терминации трансляции
Новый кодон кодирует ту же самую аминокислоту, поэтому изменения в ак-послсдова- тельности нс происходит
Рис. 21. Типы генных мутаций.
нуклеотидов Moiyr вызвать: миссенс-мутации, нонсенс-мутации, молчащие мутации
Нонсенс (nonsence) — мутации. при которых происходит замена генетически значимого кодона (sense codon) в nonsence-кодон, который терминирует трансляцию в месте этой мутации.
Молчащие мутации — это миссенс-мутации, которые изменяют аминокислотную последовательность белка, но не изменяют его функцию.
Танковые мутации могут быть следствием изменения пары нуклеотидов ДНК.
Наиболее простой тип генных мутаций — замена нуклеотидов (base substitution). Замены бывают двух типов: транзиции (transition) (пуриновый нуклеотид заменяется на пуриновый или пиримидиновый — на пиримидиовый) и трансверсии (transversion) — пуриновый нуклеотид замещается пиримидином и наоборот:
A G
0 «► 0т с
Инсерции (insersion) и делеции (deletion) составляют другой обширный класс генных мутаций, связанных с добавлением или удалением одного и более нуклеотидных пар, что всегда сопровождается сдвигом рамки считывания (frameshift mutation). Смещение рамки считывания будет менять всю транслируемую аминокислотную последовательность, что в конечном счете приведет к губительному фенотипическому проявлению. Подобные мутации могут происходить, например, при нарушении сплайсинга (вырезания интронов). Однако инсерции и делеции в три нуклеотидные пары не будут менять рамку считывания, поэтому фенотипические проявления таких мутаций могут быть не столь губительны для организма.
Супрессорные мутации — это мутации, маскирующие или подавляющие эффект действия других мутаций. Этот тип мутаций не следует смешивать с реверсными, или обратными (reverse), при которых мутировавший участок (сайт) восстанавливает свою оригинальную последовательность дикого типа. Супрессорные мутации затрагивают другой сайт, отличный от места изначальной мутации. Таким образом, организм с супрессорной мутацией будет двойным мутантом, демонстрирующим фенотип дикого типа.
Различают два класса супрессоров: внутригенные и межгенные. Внутригенные супрессорные (intragenic supressor) мутации затрагивают тот же самый ген, что и прямые мутации, нарушившие функцию этого гена. Например, внутригенные супрессоры могут подавить мутацию смещения рамки считывания: потеря одного нуклеотида (делеция) может компенсироваться вставкой недостающего нуклеотида в результате супрессорной 70
мутации. Внутригсиный супрессор может произвести компен- сирующие изменения во вторичной структуре белковой молекулы, измененной в результате миссенс-мутапии; супрессор при этом восстановит изначальную вторичную структуру белковой молекулы (рис. 22).
Межгенные супрессорные (infergenic supressor) мутации происходят в других генах, а нс в тех, по которым произошла изначальная мутация. Подобные супрессоры могут действовать, изменяя путь трансляции мРНК. Например, произошла мутация, сопровождаемая заменой внутреннего кодона, отвечающего какой- то аминокислоте, в терминирующий (стоп) кодон, что неизбежно приведет к преждевременной терминации трансляции. Примером таких стоп-кодонов могут служить превращения лизинового кодона АДА в UAA или глутаминового кодона CAG в UAG. Однако если в результате второй (последующей) мутации произойдет изменение соответствующего основания в антикодоне тРНК, то терминация транскрипции может быть предотвращена, или супрессирована, в результате чего будет транслироваться полноразмерный, хотя и измененный белок (рис. 23). Итак, ошибки трансляции могут компенсировать последствия нарушений кодирующей последовательности. Мутационные изменения в антикодоне тРНК — это наиболее распространенный механизм супрессии. Мутации в генах тРНК могут также супрессировать (подавлять) миссенс-мутации и мутации смещения рамок считывания.
?
Миссеис-мутация[2] Вторая
изменяет отдельныйТ ^^^
г4 Может восстановить । первоначальную аминокислотуг4 Может восстановить । первоначальную аминокислотуРис. 22. Внутригснныс супрессорные мутацииРис. 22. Внутригснныс супрессорные мутацииКОДОНI
г4 Может восстановить । первоначальную аминокислоту
г4 Может восстановить । первоначальную аминокислоту
Рис. 22. Внутригснныс супрессорные мутации
Рис. 22. Внутригснныс супрессорные мутации
ббLeu внедряется в белокLeu внедряется в белокПолноразмерный функциональный белокПолноразмерный функциональный белок| Транскрипция| ТранскрипцияМутация с заменой основанияМутация с заменой основанияТрансляцияТрансляцияТерминация трансляцииТерминация трансляцииУкороченныйбелокУкороченныйбелок
б
б
Leu внедряется в белок
Leu внедряется в белок
Полноразмерный функциональный белок
Полноразмерный функциональный белок
| Транскрипция
| Транскрипция
Мутация с заменой основания
Мутация с заменой основания
Трансляция
Трансляция
Терминация трансляции
Терминация трансляции
Укороченныйбелок
Укороченныйбелок
Рис. 23. Мсжгенныс су- а — последовательность дикого типа производит полноразмерный белок; б — замс- вождастся синтезом укороченной неполноценной белковой молекулы; в — замена ст антикодонтирозиновой тРНК так, что тирозиновая тРНК может спариваться со последовательность, и трансляция продолжается. Тирозин замешает лизиновый
Межгенные супрессоры являются примером генетического контроля терминации трансляции. Недавно в лаборатории С. Г. Инге- Вечтомова в Санкт-Петербургском университете был продемонстрирован эпигенетический контроль терминации трансляции у дрожжей, связанный с прионами. Прион — Р5/-бслок, являющийся продуктом гена su35 (гена-супрессора), участвует в терминации трансляции. Рецессивные мутации по этому гену температурочувствительны и влекут за собой считывание нонсснс-ко- донов. N-терминальный пептид Р5/-белка отвечает за «приониза- цию», связанную с олигомеризацией амелоидных образований в клетках дрожжей, которые отщепляют «молекулярные семена», 72
Сайт!(Первичная мутация) Сайт2Сайт!(Первичная мутация) Сайт2Сайт 2 кодирует тирозиновую тРНКСайт 2 кодирует тирозиновую тРНК^^ тРНККИН^^ тРНККИНТранскрипцияТранскрипцияТрансляцияТрансляцияМутантная тРНК с антикодоном AUCМутантная тРНК с антикодоном AUCСпаривание антикодона AUC со стоп-кодоном UAGСпаривание антикодона AUC со стоп-кодоном UAGВторая мутация с заменой основанияВторая мутация с заменой основанияПолноразмерный функциональный белокПолноразмерный функциональный белокПродолжение трансляции, сопровождаемой внедрением Туг-аминокислоты в белковую молекулуПродолжение трансляции, сопровождаемой внедрением Туг-аминокислоты в белковую молекулутРНК с атикодоном AUAтРНК с атикодоном AUAЗамена основания Т на GЗамена основания Т на G
Сайт!
(Первичная мутация) Сайт2
Сайт!
(Первичная мутация) Сайт2
Сайт 2 кодирует тирозиновую тРНК
Сайт 2 кодирует тирозиновую тРНК
^^ тРНК
КИН
^^ тРНК
КИН
Транскрипция
Транскрипция
Трансляция
Трансляция
Мутантная тРНК с антикодоном AUC
Мутантная тРНК с антикодоном AUC
Спаривание антикодона AUC со стоп-кодоном UAG
Спаривание антикодона AUC со стоп-кодоном UAG
Вторая мутация с заменой основания
Вторая мутация с заменой основания
Полноразмерный функциональный белок
Полноразмерный функциональный белок
Продолжение трансляции, сопровождаемой внедрением Туг-аминокислоты в белковую молекулу
Продолжение трансляции, сопровождаемой внедрением Туг-аминокислоты в белковую молекулу
тРНК с атикодоном AUA
тРНК с атикодоном AUA
Замена основания Т на G
Замена основания Т на G
прессорные мутации:
на нуклеотида в одном сайте гена приводит к образованию стоп-кодона, что сопро- нуклсотида в сайте другого гена, который в данном случае кодирует тРНК, изменя- стоп-кодоном изначальной мутации, позволяя тирозину встраиваться в белковую аминокислотный остаток, имевшийся в первоначальной балковой молекуле
попадающие при делении в дочерние клетки. Любой прион способен супрессировать нонсенс-мутации, а также вызывать супрессию мутаций сдвигов рамок считывания (frameshifts). Почему эти супрессии скоррелированы, пока не ясно. Таким образом, считывание стоп-кодонов за счет прионного превращения белков можно рассматривать как один из возможных путей эпигенетической регуляции трансляции.
Среди протяженных мутаций различают делеции. дупликации, транслокации и инверсии. Источником появления дупликаций и делеции служат неравные кроссинговеры, приводящие к добавлению протяженных участков ДНК и даже блоков генов. Неравные
кпоссишовсры — это своего рода «ошибки» гомологичной рекомбинации. Транслокации связаны с переносом участков хромосом и происходят обычно при разрывах хромосом. Инверсии сопровождаются поворотом участка гена или блока генов на 180* в результате чего изменяется порядок чередования генетических элементов в пределах гена или группы сцепления. Следует заметить, что все вышеперечисленные типы протяженных мутаций могут быть индуцированы действием мобильных элементов.
Геномные мутации сопровождаются изменением числа хромосом в ядре. К ним относят полиплоидизацию и анеуплоидизацию. Полиплоидизация — изменение числа хромосом, кратного гаплоидному набору (например, Зл). Анеуллоиды возникают при потере или добавлении отдельных хромосом (2л + 1, 2л - 1). Организмы с потерей пары гомологичных хромосом (2/г - 2) относят к нули- сомикам.
Цитоплазматические мутации
Наследственный цитоплазматический материал у грибов сосредоточен в основном в митохондриях. Митохондрии содержат небольшие кольцевые молекулы ДНК. Однако гены, кодирующие структурные белки митохондрий, локализованы в ядре. В митохондриях грибов имеется стандартный набор генов дыхательной цепи, генов рибосомальных (рРНК) и транспортных (тРНК) РНК, а также гены АТФаз. Показано, что у дрожжей в мт-гено- ме имеется несколько промоторных участков. При делении митохондрий ДНК способна к саморепликации независимо от ядер- ного генома. Репликация кольцевых ДНК митохондрий происходит по принципу «катящегося кольца», отличающемуся от репликации ядерной ДНК (см. рис. 15).
Цитоплазматическая наследственность у грибов может быть связана также с наличием плазмид, автономно реплицирующихся в цитоплазме. Плазмидная ДНК может нести факторы устойчивости к лекарственным веществам, локусы токсинообразования {kalilo — у N. crassa, killer — у Kluyveromyces lactis\ Плазмиды могут рекомбинировать как между собой, так и с ДНК хромосом. Вирусные ДНК, передающиеся от родителя к потомкам через цитоплазму, также могут контролировать некоторые признаки, например гиповирулентность штаммов Cryphonectria parasitica. Таким образом, внехромосомная цитоплазматическая наследственность у грибов может быть связана с ДНК митохондрий, плазмид, часть которых используются при клонировании ядерных генов.
Первые митохондриальные мутации (р~ и р°) получены французским генетиком Б.Эфрусси на дрожжах еще в 40-е годы XX в.
Эти реше-мутации были связаны с нарушением функций дыхательной цепи и характеризовались замедленным (карликовым) ростом колонии. Мутации р - это делеции участка мтДНК о" - полное отсутствие митохондриальной ДНК. Рейе-мутанты не способны осуществлять аэробное дыхание, и источником энергии в таких клетках служит анаэробное дыхание (гликолиз), которое значительно менее эффективно, чем аэробное дыхание. Это и выражается в замедленном росте колоний. Делеции нарушают участки мтДНК, кодирующие ферменты дыхательной цепи (аэробного дыхания), поэтому клетки не способны производить достаточное количество АТФ, что и приводит к ингибированию их роста.
У мицелиальных грибов также были обнаружены респираторные мутации (связанные с нарушениями функции дыхательной цепи митохондрий), имеющие материнское цитоплазматическое наследование, например роЛу-мутации Neurospora crassa, выделенные Дж. Митчел.
Карликовые нелетальные мутации могут быть связаны как с делециями участков митохондриальной ДНК, так и с точковы- ми мутациями. Ро^у-фенотип выражается в замедленном росте гиф и замедленном прорастании спор полового и бесполого про
исхождения, что связано с ненормальным количеством цитохромов — белковых компонентов электрон-транспортной цепи митохондрий, играющих интегрированную роль в производстве АТФ. У ро&у-мутантов есть цитохром с, но у них отсутствуют цитохромы а и в и, следовательно, нарушена функция окислительного фосфорилирования (OXPHOS). Эти мутации называют также супрессивными, потому что в клетках с нарушениями OXPHOS-функций дефектные митохондрии индуцируются к делению в три раза чаще, чем нормальные митохондрии. В данном явлении супрессивности участвуют ядерные гены osr-1 и osr-2 (OXPHOS stress response genes). Полагают, что эти гены экспрессируются постоянно и их белки транспортируются в мито
хондрии.„
Экспортируемые генопродукты OSR-1 и OSR-2 в митохондриях действуют по-разному: в нормальных митохондриях, у которых не нарушена функция OXPHOS и которые делятся реже, белок OSR-1 неактивен, а белок OSR-2 подавляет пролифера- цию митохондрий. В дефектных митохондрия^ наоборот, белок OSR-1 активизируется и инактивирует белок OSR-- чем и сни мает его действие, направленное на подавление чрезмерного « ления митохондрий. Поэтому дефектные по дыханию митохонд рии начинают чаще делиться.мито-
Ниже представлена схема супрессивност дФу
хондриальной ДНК с помощью продуктов ядерных
N. crassa:
В нормальных митохондрияхВ нормальных митохондриях
В нормальных митохондриях
В нормальных митохондриях
Белок OSR-1 | Не активен |Белок OSR-1 | Не активен |Белок OSR-2
Белок OSR-1 | Не активен |
Белок OSR-1 | Не активен |
Подавляет чрезмерную пролифе-рацию митохондрий до уровня,необходимого д ля координациипроцессов окислительного фос-форилирования с оптимальнойметаболической активностьюклеток дикого типа
Белок OSR-2Белок OSR-2Белок OSR-1IАктивен, являетсясенсором в условияхOXPHOS стрессаБелок OSR-1IАктивен, являетсясенсором в условияхOXPHOS стрессаВ дефектных митохондриях
Белок OSR-2
Белок OSR-2
Белок OSR-1I
Активен, являетсясенсором в условияхOXPHOS стресса
Белок OSR-1I
Активен, являетсясенсором в условияхOXPHOS стресса
Активность подавлена, контрольнад пролиферацией митохондрий
снят
Физиологически явление повышенного накапливания дефектных митохондрий в клетках нейроспоры объяснимо, так как необходимо компенсировать недостаточность функции OXPHOS-системы.
Мутации устойчивости к антибиотикам — в основном это точ- ковые мутации в митохондриальных генах дыхательной цепи.
Отличить ядерные мутации от цитоплазматических можно прежде всего по характеру их наследования. Существуют следующие критерии, свидетельствующие о внеядерном экстрахромосом- ном наследовании.
Различия при реципрокных скрещиваниях. При скрещивании ро£у-мутантов N.crassa, характеризующихся медленнорастущими колониями, с нормальными штаммами в потомстве аскоспор в сумке всегда происходило наследование материнского фенотипа (по перитециальному родителю) (М. Mitchel, 1952):
^ року х О^погта! ^ normal х О'*чоку
F1: все 8 спорF1: все 8 аскоспор
в сумке — року в сумке имеют normal-тип
Признак передавался по материнской линии с материнской цитоплазмой. Однако этот тест пригоден не для всех грибов, а только для тех, у которых присутствует половой диморфизм UNeurospora, Podospora). Наследование синдрома старения у Р. anserine также происходит по материнской линии и связано с мтДНК. 76
2. Неменделевское расщепление признаков. Проводил вания между гЛо-мугантами, дефектными по дыханию ризующимися2. Неменделевское расщепление признаков. Проводил вания между гЛо-мугантами, дефектными по дыханию ризующимисяи скрсши-и скрсши-дрожжей:Дрожжи аrho~Карликовыйфенотипдрожжей:Дрожжи аrho~Карликовыйфенотипзамсдлсннымзамсдлснным« -Fl:20 rho*0Нормальныйфенотип« -Fl:20 rho*0Нормальныйфенотипи характс-ростом, и нормальными клеткамии характс-ростом, и нормальными клетками22 по типу спаривания100 (4 0 или 0 4) по признаку rho Соотношениев тетрадах22 по типу спаривания100 (4 0 или 0 4) по признаку rho Соотношениев тетрадах
2. Неменделевское расщепление признаков. Проводил вания между гЛо-мугантами, дефектными по дыханию ризующимися
2. Неменделевское расщепление признаков. Проводил вания между гЛо-мугантами, дефектными по дыханию ризующимися
и скрсши-
и скрсши-
дрожжей:
Дрожжи аrho~Карликовыйфенотип
дрожжей:
Дрожжи аrho~Карликовыйфенотип
замсдлснным
замсдлснным
« -Fl:20 rho*0
Нормальныйфенотип
« -Fl:20 rho*0
Нормальныйфенотип
и характс-
ростом, и нормальными клетками
и характс-
ростом, и нормальными клетками
22 по типу спаривания
100 (4 0 или 0 4) по признаку rho Соотношение
в тетрадах
22 по типу спаривания
100 (4 0 или 0 4) по признаку rho Соотношение
в тетрадах
В этой схеме а и а — это факторы типов спаривания, имеют ядерное наследование и демонстрируют обычную сегрегацию мейотических продуктов с ядерным наследованием признаков — 1 1, т.е. налицо менделевское расщепление в тетраде. Карликовый рост колоний — это цитоплазматический признак, и в этом случае потомству передается только один из родительских фенотипов.
Тест на гетерокарион. У Aspergillus nidulans формируем гетерокарион между двумя штаммами со следующими признаками:
dk + АрЗеленые Желтыеколонии колонии
Допустим, что признаки X и р отвечают за некий цитоплазматический фенотип, а и р — ядерные признаки, отвечающие за окраску конидий (зеленые и желтые).
Если признаки X и р имеют цитоплазматическое наследование, то в моноконидиальном потомстве при расщеплении гетерокариона будут получаться четыре фенотипа:
аХ араХ арЬ>.
аХ ар
аХ ар
АР,
т.е цитоплазматические признаки независимо комбинируются с обоими ядерными признаками.
Если признаки X и р — ядерные, то потомство будет представлено только двумя фенотипами:
ак и Ар.
Таким образом, тест на гетерокарион предполагает конструирование гетерокариона между двумя штаммами, отличающимися по какому-либо хромосомному маркеру и изучаемом} вне р ному, при этом формируется практически гстероплазмон ‘гак как объединяются различные цитоплазмы. Далее исследх Л ванис признаков в одноядерных конидиях или кончикахп ф.. - ным для анализа является вид Aspergillus nidulans с одноядерны.
конидиями.
Например, изучали наследование мутантного гаАфснотипа у 4 nidulans (J. Jinks ct al., 1962).Этот мутантный фенотип характеризуется секрецией большого количества красноватого пигмента в среду, неспособностью формировать достаточное число перитециев и ускоренным ростом мицелия. При формировании гетерокариона (гстероплазмона)
w* red + wA non-red
группы изолятов, полученных из одноядерных конидий, распределились по 4 фенотипам следующим образом:
и'* red и’* поп-red wA red wA поп-red
2114351762
где wA — ядерный маркер, отвечающий за белую окраску конидий; и" — зеленые конидии.
Признак red свободно комбинировался с ядерным маркером white (белые конидии), хотя и с некоторым дисбалансом фенотипов в числовом выражении. Наблюдали значительное преобладание белых — нормальных wA non-red. Следовательно, признак red имеет цитоплазматическое наследование.
Дж.Джинкс и его школа в Бирмингеме в многочисленных экспериментах на A. glaucus с использованием теста на гетерокарион показали, что такие признаки, как вариабельность в прорастании спор, скорость роста колоний, пигментация перитециев, находятся под контролем цитоплазмы во время дифференцировки и старения культур.
Стойкое расщепление гомокариона, или так называемая реплицирующаяся нестабильность. Фенотипически проявляется в получении мозаичных колоний при каждом последующем рассеве спор дикого типа, т.е. когда отбор колоний при рассевах идет по дикому типу. Заметим, что гомокарион, по определению, должен иметь генетически однородные ядра. Реплицирующуюся нестабильность ряда мутантов можно повысить действием УФ и нитрозогуанидина.
Нестабильность индукции. Существуют мутагены с преимущественным влиянием на цитоплазматические мутации. К таковым принадлежат акридиновые красители, высокие температуры. Многие индуцированные акридиновыми красителями мутации связаны с нарушением функций дыхательной цепи.
Ядерные мутации
Ядерные мутации можно разделить по нескольким категориям. о направлению изменений фенотипов различают прямые и обратные ^reverse) ядерные мутации.
Прямые мутации сопровождаются изменением нормальных признаков.
Обратные мутации сопровождаются восстановлением фенотипа, иногда могут быть результатом действия гХ ^ соров. Ген-супрессор - это аллель, который маскирует Xvv" тации в другом гене, т.е. супосссопш ip. РУ рфекг МУ* к восстановлению у мутанта дикого фенотипа, хотя^рХХТ? ное состояние самого мутантного гена не восстанавливается к£ уже говорилось выше, супрессоры бывают двух типов - т^пря мыс (или внегенные) и прямые (внутригенные). У непрямых вне- генных супрессоров первичное генетическое повреждение мутантного гена не «залечивается» (исправляется), а выбирается альтернативный путь биосинтеза. Такая супрессорная мутация происходит в другом гене, отличном от того, который был поврежден прямой мутацией. Внутригенные супрессорные мутации сопровождаются повторным изменением генов, в которых уже произошла прямая мутация. Примером могут служить мутации по гену глю- таматдегидрогеназы ат2, ат3, ат19 у Neurospora crassa.
Обратные мутации иногда происходят с более высокой частотой, чем прямые, например, как это было отмечено для реверсий аргининовой мутации (arg) к дикому типу у Schizosaccharomyces pombe. У N. crassa частоты обратных мутаций под действием различных мутагенов значительно различались: реверсия локуса ad’-^ad* происходила спонтанно с частотой 0,2-10"6 конидий, под действием УФ — с частотой 3,5 • 10-6 конидий, а под действием химического мутагена ди метил сульфата частота реверсии возрастала на порядок и доходила до 8,4-10~5. Ген add N crassa контролирует активность фермента аденилсукциназы, который участвует в биосинтезе пуринов; под действием УФ было получено 23 мутанта, причем 19 были способны ревертировать к прототрофности. Сейчас мы знаем, что многие обратные мутации связаны с вырезанием и транспозициями (инсерциями и эксцизиями) мобильных элементов (транспозонов), что было ранее продемонстрировано на примере his4 локуса S. cerevisiae и обУ-локуса N crassa (см. гл. 1).
По причинам возникновения различают спонтанные и индуцированные ядерные мутации.
Под спонтанным мутационным процессом принято понимать возникновение мутаций, конкретные причины которых нам неизвестны. Неконтролируемые воздействия внешней среды, а также постоянно протекающие в самом организме процессы могут служить причиной спонтанной мутационной изменчивости, нон тонные мутации могут быть следствием: а) нарушении ^пекулярного механизма репликации ДНК при делении ядер, ) рамки считывания (frameshifting) при нарушении синга; в) нарушений при спаривании нуклеотидовД' _
Они могут зависеть также от внешних причин и «^никать р^ зультате геномных перестроек, связанных с дсист^ ^ зонов. На дрожжах было показано, что локусы, характеризуют
повышенной спонтанной мутабилыюстью, дефектны по процессам репарации ДНК.
Индуцированные мутации возникают в результате воздействия различных мутагенов. Химический .мутагенез влечет за собой целую серию индуцированных мутаций. Например, аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований могут встраиваться при синтезе молекулы ДНК с образованием «ошибок». Так, 5-бромура- цил может заменить тиминовое основание, а 2-аминопурин является аналогом аденина. Азотистая кислота действует на неделя- шиеся клетки и вызывает замещения азотистых оснований {base pair transitions). Нитрозогуанидин вызывает мутации в месте репликации ДНК путем метилирования и этилирования ДНК. Бено- мил нарушает сборку микротрубочек веретена. К физическим мутагенам относят температурный шок, УФ-излучение и рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи вызывают повреждения молекул ДНК: их разрывы, делеции, перестройки. В отличие от рентгеновских лучей УФ-лучи отличаются прямым воздействием на азотистые основания ДНК, при которых образуются ковалентно замкнутые димеры пиримидиновых оснований.
По фенотипу выделяют ядерные мутации: летальные, условно летальные и с измененным фенотипом.
Летальные и условно летальные мутации, нарушающие жизнеспособность клеток, являются причиной гибели зиготы на той или иной стадии развития. У грибов изучение летальных мутаций возможно, так как их можно сохранять в гетерокариотических клетках. Летальные мутации могут быть: рецессивными, доминантными, митотическими и цитоплазматическими.
Рассмотрим следующий пример. Допустим, деталь изучается в гетерокарионе. Многоядерная спора дает гетерокариотическую колонию (как, например, у Fusarium). В потомстве конидий наблюдаются 3 типа колоний, соответствующих двум изначальным родительским гомокарионам и гетерокариону. Процент гетерокариотических колоний, получаемых при споровом рассеве после воздействия мутагена, будет зависеть от характера летали:
Доза мутагенеза
Если деталь рецессивна, то процент гетерокарионов при увеличении дозы мутагена будет расти вследствие того что преиму щественно погибнут одноядерные споры. Если летать доминантна, доля гетерокарионов при увеличении дозы мутагена будет снижаться. В случае митотической летали, когда ядро при делении клетки гибнет, процент гетерокарионов резко упадет а в случае цитоплазматической летали процент гетерокарионов при увеличении дозы мутагена не изменится.
Доминантные летали приводят к тому, что зиготы становятся не способными к делению.
У дрожжей 5. cerevisiae доминантный летальный эффект проявляется в зиготе (2л) (рис. 24). Облученные рентгеновскими лучами клетки с помощью микроманипулятора скрещивали с необлу- ченными. Доминантные летали после облучения одного из родителей были обнаружены во всех скрещиваниях: + х +; rad52 х +; + х rad52\ rad52 х rad52 (+ обозначает клетки дикого типа). Все
кривые на рисунке свидетельствуют о снижении выживаемости гибридов, поэтому можно сделать вывод о том, что произошли доминантные летальные мутации. Доминантные летали и приводили зиготы к гибели. Однако в скрещивании rad52 х rad52 обнаружена более высокая частота доминантных деталей; следовательно, у мутанта rad52 нарушена репарация клеток, избавляющая их от доминантных деталей. Мутант rad52, чувствительный к рентгеновским лучам, представляет собой мутацию по гену rad52. Установлена роль га^-генов (DNA repair genes) одновременно в двух процессах — репарации и мейотической рекомбинации. Мутантные аллели ra^-генов вызывают
дефекты мейоза, связанные с нарушениями формирования синаптонемного комплекса, синапсиса хромосом, конденсации и сегрегации хромосом.
Рис. 24. Сравнение индукции доминантных деталей у дрожжей 5. cerevisiae при действии рентгеновских (R) лучей (по Т. Но, R. Mortimer, 1973).
Облученные клетки с помощью микроманипулятора скрещивали с нсоблу- ченными:
/ - rad 52 х rad52, 2 — rad52 х +: 3 — + х rad52\ 4 — + х +.
Воздействию R-лучсй подвергался родитель, указанный в скрещивании первым
Рецессивные летальные .мутации. У диплоидных организмов рецессивные летальные мутации будут проявляться только у гомозигот, рецессивных по данному локусу. В случае же гаплоидных грибов подобная мутация будет летальной всегда, так как нс происходит комплементации со стороны доминантного локуса дикого типа. В гетерокарионах рецессивные летали могут также маскироваться. На нейроспоре было показано, что индуцировать рецессивные летальные мутации можно под действием рентгеновских лучей, при этом многие рецессивные летали были обусловлены делециями хромосом.
Условно летальные мутации — это мутации, приводящие к летальному фенотипу при ненормальных условиях. Например, ts-.мутации (температурочувствительные): при нормальных пермиссивных температурах образуется нормальный белок, и клетки функционируют; при повышенных температурах среды (рестриктивных) клетки погибают. Например, для гриба Pleurotus ostreatus температура 25 ’С оптимальна для нормального роста мицелия, при 33‘С рост замедляется, а при 35 *С клетки гибнут. Таким образом, при температуре 35 ’С можно отбирать температурочувствительные /5-мутации.
С помощью /з-мутаций удалось изучить генетику полового цикла у дрожжей, генетику клеточного цикла у Aspergillus nidulans. Ts-чувствительные мутанты могут иметь дефекты по РНК- и ДНК- синтезу, как, например, у агр-мутаций (abnormal ribosomal profile) A. nidulans отмечали избыток малых рибосомальных субъединиц по сравнению с большими субъединицами.
Температурочувствительные мутации дрожжей, не способные к митозу при рестриктивных температурах, могут быть связаны с нарушениями в синтезе различных макромолекул — белков, ДНК, РНК. Например, cscc-мутанты (cold-sensitive cell cycle mutants) не способны к почкованию при рестриктивных температурах. Мутанты ts могут иметь нарушения по различным этапам полового цикла. Так, мутация spol у дрожжей вызывала дефект при делении тела веретена (spindle pole body).
Многие мутанты, дефектные по мейозу, имеют нарушения рекомбинационных процессов. Однако мутанты дрожжей spol, spo2, spo3, не способные к мейозу, были полностью способны к рекомбинации. У Schizosaccharomyces pombe было выделено множество мутантов, не способных спорулировать (образовывать мейотиче- ские аскоспоры); причем среди них удалось выделить классы, различающиеся по блокированию того или иного этапа полового цикла, — от слияния клеток до нарушений в первом и втором мейотических делениях. У Aspergillus nidulans получили /s-мутанты, растущие в пермиссивных условиях при 32е, но не способные расти при рестриктивных температурах в 42’С. При этом возникали нарушения, связанные с тем, что в рестриктивных усло- 82
^ ^'n—6- — - —^™:
Для других температурочувстительных мутантов sepA-D A ni dulans нормальный рост клеток и деление ядер сопроводив." нарушениями в образовании септ (клеточных персгородоТму танты зерА имели ненормально широкие гифы, интенсивно ветвящиеся, что было связано с дефектом биосинтеза клеточных стс- нок и нарушением полярности клеток. Мутанты sepD имели внешне нормальный фенотип, но отличались от дикого типа отсутствием септ. У мутантов sepB происходил «арест» ядерных делений. деление ядер прекращалось после третьего митоза, в результате чего в клетках данных мутантов количество ядер равнялось 8, и ядра были несколько удлиненными.
Изолировать /5-мутации просто: нужно экспонировать споры при различных температурах, после чего сделать споровые рассевы, и полученные реплики инкубировать при различных температурах, а потом проводить отбор /s-мутаций. Условно-летальные мутации — важная для генетиков группа мутаций, так как они дают возможность работать с изменениями генома, затрагивающими важнейшие функции организма, что вызывает его гибель.
Мутации с измененным фенотипом подразделяют на морфологические, биохимические и физиологические.
Эти категории мутаций наиболее часто используются в генетике грибов, поэтому мы также отметим специфику отбора данных мутантов у грибов.
Морфологические мутации могут сопровождаться изменением макро- и микроморфологии. Эти мутации неселективны. Например, известные колониальные ^colony) мутации N. crassa имеют компактный рост колоний вместо характерных длинных тяжей. White, yellow мутанты Aspergillus nidulans имеют белую и желтую окраску колоний вместо типичной зеленой. Розовые мутанты Pyricularia огу^ае связаны с нарушением этапов биосинтеза меланинов. Морфологические мутанты помогли во многом изучить процесс формирования клеточных стенок у грибов, дифференцировки спорообразования (работы на Neurospora, проведенные в лаборатории ЕТэйтума).
К биохимическим мутациям относятся ауксотрофные мутации, отбор которых осуществляется на селективных средах. Впервые их изучение началось на Neurospora crassa в лаборатори и .- •
и Дж. Бидла в Стенфордском университете в 1943 г. Ау ^строфы не могут расти на средах с минимальным содержани ‘ п’1па ных компонентов, необходимых для роста колон (протозрофов). Например, у N. srassa мутация ™ кусу ad3 выражается дефектом определенного
аденина и одновременной секрецией в среду пурпурного пигмента (производного предшественника аденина) в аэробных условиях. Цезая серия адениновых мутантов с пурпурной пигментацией среды была выделена у дрожжей S.cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe. Иногда пищевая потребность в каком-либо веществе у мутанта может быть подавлена мутацией в другом локусе (в гене- супрессоре). Такая супрессия может проявляться на уровне трансляции мутантных мРНК. Супрессорные мутации, как уже было сказано выше, преодолевают или «запрещают» эффект прямых мутаций. Наряду с широко распространенной метаболической супрессией, сопровождаемой выбором альтернативного метаболического пути, может происходить и трансляционная супрессия, изменяющая чтение генетического кода при трансляции мРНК.
Отбор ауксотрофных мутантов относительно прост. Обработанные мутагеном споры или конидии рассевают на чашки Петри в необходимых разведениях, а потом делают реплики на минимальные среды, содержащие различные питательные компоненты (аминокислоты, азотистые основания и витамины). Метод реплик заключается в «перепечатке» колоний с агаризованной полноценной среды на две чашки Петри: одну — с минимальной средой, другую — с полноценной (чтобы отобрать мутанты). Впервые метод реплик был применен Дж.Ледербергом для бактерий: стерильный вельвет, наклеенный на пестик, равный диаметру чашки Петри, прижимают к поверхности чашки с подросшими колониями, а потом переносят на среды с различными добавками; в тех местах, где рост колоний отсутствует, можно говорить о дефектном фенотипе. Однако этот метод хорош для отбора одноядерных спор и затруднен при работе с многоядерными конидиями. Значительно ускорить процесс идентификации питательных потребностей ауксотрофных мутантов позволяет схема, предложенная Р. Холлидеем (табл. 6).
Применение данного метода позволяет определить потребности исследуемых мутантов в 36 ростовых факторах, используя при этом только 12 чашек с минимальной средой, обогащенной ростовыми факторами (по шесть ростовых факторов на чашку в представленных в таблице сочетаниях). Например, ауксотроф, для роста которого необходим триптофан, будет расти только на чашках 3 и 9. По методу реплик можно отбирать мутанты, устойчивые к антибиотикам, однако рассев на чашках Петри рекомендуется при этом делать более плотным.
Существует также несколько приемов для повышения эффективности выхода ауксотрофных мутантов при отборе. Наиболее широко используется метод обогащения ауксотрофов. Были раз- ра отаны приемы, которые позволяли повышать частоту обнаружения ауксотрофных мутантов. Одним из таких приемов является мето фильтрации. Обработанные мутагеном конидии дикого типа
Таблица 6. Сочетания ростовых фактора, лая идеитификации гбиохимических мутантов«фикации
5
3
Ч а ш ка
—
1
2
3
4
5
6
7
Аденин
Биотин
Фенилаланин
Аланин
Аргинин
Лейцин
8
Гипоксантин
Фолиевая кислота
Серин
Цистеин
Орнитин
Глицин
9
Цито- зин
Пантотеновая кислота
Триптофан
Треонин
Аспарагиновая кислота
Изолсй- цин
10
Гуанин
Пиридоксин
Тирозин
Тиосульфат
Пролин
Гпетидин
11
Тимин
Тиамин
Параами- нобензой- ная кислота
Метионин
Глутаминовая кислота
Лизин
12
Урацил
Рибофлавин
Никотиновая кислота
Холин
Инозит
Валин
предварительно инкубируют в жидкой минимальной среде, что позволяет прорасти прототрофным ядрам, а затем эту смесь филь- груют через ткань или фильтровальную бумагу с порами опреде- тенного диаметра, пропускающие непроросшие конидии, но за- (ерживающие проросшие споры. Далее действуют по обшей схеме ^пользования реплик, приведенной выше. В среду для рассева иног- ia добавляют сорбозу с целью индукции роста колоний. Выход аук- ютрофов с применением метода фильтрации можно увеличить до >0 % и более. В этой методике важно правильно подобрать продол- китсльность предварительного инкубирования спор на минималь- юй среде для выбраковки прототрофов. Инкубирование лучше про- юдить при встряхивании, чтобы избежать слипания спор и слия- (ия проросших ростков; ауксотрофные споры при длительном инкубировании также могут прорасти и анастомозировать, в результате чего может произойти комплементация ауксотрофных ядер. Зремя инкубации обычно подбирают в пределах 2—4 суток. Подол применим также для отбора многоядерных спор.
К физиологическим мутациям можно отнести мутации резне снтности к антибиотикам, которые позволяют грибам расти на редах с ингибиторными дозами антибиотиков или тяжелых ме аллов. Эта категория мутаций весьма удобна, так как они селек- ивны и часто бывают доминантными и полудоминантными. i .
тации устойчивости к антибиотикам могут быть обусловлены на- рхшенйями проницаемости клеточных мембран (например, ре- зйстснтность к нистатину), дефектами цитоплазматических компонентов (например, рибосом в случае устойчивости к циклогексимиду) и т.д. Мутации устойчивости к беномилу у A. nidulans связаны с нарушениями микротрубочек веретена, а именно с секрецией белков тубулинов. Мутации устойчивости к лекарственным веществам можно отбирать путем рассева конидий на чашки Петри, содержащие летальные дозы данного вещества.
При изучении мутаций необходимо решить две основные задачи:
определить ее физиологическую или биохимическую функцию;
и прокартировать, т.е. привязать ее к определенной группе сцепления с другими локусами.
При картировании мутаций важное значение имеет проведение теста на комплементацию. Тест позволяет показать, аллельны или неаллельны мутации с потребностью к какому-либо определенному веществу, т.е. затрагивают они один или разные локусы:
а~Ь*
если мутации а и в нс аллельны, т.е. находятся в различных функциональных локусах, то гаплоидные фенотипы, объединившись в гетерокарионе, дадут прототрофный рост (дикий тип);
а*
— если мутации аллельны, т.е. затрагивают один ами тот же функциональный локус, то гетерока
рион тоже будет иметь мутантный фенотип, так как аллель дикого типа а* не присутствует, и не происходит комплементации.
Для грибов проведение теста на комплементацию значительно облегчено, так как можно сформировать гетерокарионы или диплоиды. Особенно просто проводить данные тесты на дрожжах с диплоидным жизненным циклом и на базидиомицетах с гап- ло-дикариотическим циклом. Проведение подобной процедуры не вызывает никаких затруднений для аксомицетного гриба Podospora anserine, у которого в норме образуются дикариотичные аскоспоры, и гораздо сложнее для Ascobolus immersus с одноядерными гаплоидными аскоспорами. Поэтому в тестах на комплементацию в случае с A. immersus использовали двуспоровые мутантные штаммы. Тесты на комплементацию позволяли строить целые карты комплементации, что наряду с рекомбинационными картами привело к наиболее полному картированию геномов различных видов грибов.
Тесты на комплементацию шиппк-л
ни» ауксотрофных мутантов Neurospara ста™ В,„Г"' "Р“ И’УЧС' мирование гетерокарионов мсаду штзмчпм ^ других грибов не всегда возможно по причине дёйс^ " гетативнои несовместимости Гок Действия генов не-
(forced) гетерокарионов в отличие от сбалансированных ebon мирующихся естественным путем. Такой «вынужденный r’ertoo- карион был сформирован между двумя мутантными аланин-за висимыми штаммами на минимальной среде с добавкой алани-
ат2 arg-1-v am3 arg-10 — «вынужденный» гетерокарион.
Оба исходных родительских штамма помимо потребности в аланине были также аргининзависимыми, причем, как было показано, мутации arg-1 и arg-10 были неаллельны и, следовательно, комплементарны, что позволяло гетерокариону расти на среде без аргинина, но с добавкой аланина. Однако рост данного гетерокариона на минимальном агаре без каких-либо добавок был не лучше, чем рост исходных гомокарионов ат2 и ат3. Поэтому можно заключить, что мутации ат2 и ат3 аллельны и некомплементарны, т.е. находятся на одном локусе.
Направленный мутагенез (site-directed mutagenesis)
Молекулярная биология значительно расширила возможности получения направленных мутаций путем внесения генетических изменений в клонированные сегменты ДНК. Методы молекулярной биологии позволяют получать мутации, непосредственно воздействуя на активный центр белковой молекулы, т.е. получать мутации в строго определенном специфическом сайте какого-либо гена, а потом изучать эффекты этих мутаций на организм. Для этого в уже охарактеризованные и клонированные гены вносят специфические мутации и затем устанавливают корреляцию между' изменениями в определенных участках этих генов (чаше всего в участках, соответствующих активным центрам белковых молекул) и измененным фенотипом. Возможно также с точностью локализовать регуляторные элементы данного гена. Например, если в кодирующую часть гена внести мутацию, то с него бхдет спите зироваться модифицированный полипептид. Это и позволит изу чить влияние ак-последовательности белка как на его конформа ционную структуру, так и на ферментативную активность м - логично, нуклеотидная замена в предполагаемом регуляр ■ • стке может привести к подавлению или стимуляции тр. р ции.
Существует несколько стратегий направленного мутагенеза. Одна из них, так называемый ^кассетный» направленный .мутагенез. основывается на вырезании короткой последовательности нуклеотидов с помощью рестриктаз и замене ее на синтетическую олиго нуклеотидную последовательность, которая содержит измененную (мутантную) последовательность. Участок, в который хотят внести мутацию, вырезают из клонированного рекомбинантного вектора по двум фланкирующим уникальным рестрикционным сайтам и вместо него включают синтетический дуплексный олигонуклеотид, содержащий нуклеотидную замену и имеющий липкие концы, совпадающие с липкими концами в линейном векторе. Две цепи синтетического олигонуклеотидного дуплекса синтезируют отдельно и затем отжигают. Эта процедура возможна при наличии подходящих уникальных сайтов рестрикции, фланкирующих последовательность, которую мы хотим изменить (рис. 25). При дальнейшей трансфекции и клонировании измененного рекомбинанта геномов дикого типа не образуется.
Если подходящих сайтов рестрикции нет, то можно применить олигонуклеотид-направленный мутагенез, при котором синтезируют одноцепочечный олигонуклеотид, содержащий одну или несколько нуклеотидных замен в изучаемой области гена. Ген, в котором хотят получить мутацию, клонируют, например в фаге М13, и получают одноцепочечную кольцевую рекомбинантную вирусную ДНК. Затем с этой кольцевой молекулой отжигают синтетический олигодезоксинуклеотид (длиной от 8 до 20 н.п.), содержащий мутантную последовательность. Этот олигонуклеотид выполняет роль праймера для синтеза второй нити ДНК, а одно- цепоченая плазм идная ДНК — роли матрицы при синтезе ДНК
ис. . * Кассетный» направленный мутагенез, при котором происходит вырезание короткой последовательности нуклеотидов с помощью ферментов рестрикции и замена се
Последовательность которую нужно изменитьПоследовательность которую нужно изменитьНеспарснныс 5 ,основанияНеспарснныс 5 ,основанияОтжиг олигонуклеотида с 1-китовой плазмидной ДНК «твоиОтжиг олигонуклеотида с 1-китовой плазмидной ДНК «твоиОлигонуклеотид служит праймером Для ДНК синтезаОлигонуклеотид служит праймером Для ДНК синтеза... и производит молекулу с одной парой неспаренных нуклеотидов... и производит молекулу с одной парой неспаренных нуклеотидовДНК трансформируют в клетки хозяина, и ферменты репарацииДНК трансформируют в клетки хозяина, и ферменты репарациикорректируют неспарснныс основаниякорректируют неспарснныс основанияПлазмида с оригинальной последовательностьюПлазмида с оригинальной последовательностьюпоследовательностьюпоследовательностьюПоловина плазмид имеет оригинальную последовательность, а половина — измененнуюПоловина плазмид имеет оригинальную последовательность, а половина — измененнуюКлетки подвергают скринингу на присутствие измененного генаКлетки подвергают скринингу на присутствие измененного гена
Последовательность которую нужно изменить
Последовательность которую нужно изменить
Неспарснныс 5 ,основания
Неспарснныс 5 ,основания
Отжиг олигонуклеотида с 1-китовой плазмидной ДНК «твои
Отжиг олигонуклеотида с 1-китовой плазмидной ДНК «твои
Олигонуклеотид служит праймером Для ДНК синтеза
Олигонуклеотид служит праймером Для ДНК синтеза
... и производит молекулу с одной парой неспаренных нуклеотидов
... и производит молекулу с одной парой неспаренных нуклеотидов
ДНК трансформируют в клетки хозяина, и ферменты репарации
ДНК трансформируют в клетки хозяина, и ферменты репарации
корректируют неспарснныс основания
корректируют неспарснныс основания
Плазмида с оригинальной последовательностью
Плазмида с оригинальной последовательностью
последовательностью
последовательностью
Половина плазмид имеет оригинальную последовательность, а половина — измененную
Половина плазмид имеет оригинальную последовательность, а половина — измененную
Клетки подвергают скринингу на присутствие измененного гена
Клетки подвергают скринингу на присутствие измененного гена
Рис. 26. Олигонуклсотид-направлснный мутагенез, основанный на отжиге однонитсвых молекул плазмидной ДНК с синтетическим олигонук- лсотидным праймером, содержащим мутировавший сайт
in vitro с помощью ДНК-полимеразы I. После копирования всей кольцевой молекулы начало и конец новой цепи соединяют лигазой. Образовавшаяся дуплексная молекула содержит неспарен- ныс основания в мутантной последовательности. Такую гибридную молекулу ДНК затем переносят (трансформируют) в ком-
пстентные клетки хозяина — бактериальные или дрожжевые. Не- спаренныс основания (мутантный сайт) во вновь синтезированной молекуле ДНК будут подвергаться репарации бактериальными ферментами хозяина, при этом половина репараций приведет к синтезу мутантных оснований, а половина — к синтезу нормальных исходных молекул ДНК дикого типа без внесенных нуклеотидных замен. Затем клетки хозяина подвергают скринингу на присутствие мутантных рекомбинантов (рис. 26).
Инсерционный и делеционный мутагенез
Эти разновидности современного мутагенеза, разработанные для изучения экспрессии генов и для постановки экспериментов по генной терапии, можно определить как мутагенез, опосредо-
Разрезание ДНК рестриктирующими эндонуклеазами Rei и Re2
ПлазмидаПлазмида
Плазмида
Плазмида
Инсерции и делеции, опосредованные ферментами рестрикции(REMI)
ванный ферментами рестрикции (REMI restriction enzyme mediated insertion). Суть его состоит во встраивании специфических последовательностей в определенные или нсспецифичсские случайные сайты генома хозяина. Случайное встраивание инъе- цированнои ДНК в кодирующие или важные в регуляторном отношении участки может привести к изменению экспресии гена- мишени. В результате может синтезироваться мутантный генный продукт или вообще блокироваться экспрессия данного гена. Такой подход широко используется в генетике прокариот, дрожжей и кукурузы. В качестве инсерционного мутагенного фактора могут быть использованы также транспозирующиеся мобильные элементы. Встроенный сегмент легко идентифицировать на ядер- ных ДНК-блотах и в геномных библиотеках, а затем его можно клонировать вместе с фланкирующими последовательностями генома-мишени.
Делеционные мутанты. Внести делению в определенный участок можно с помощью рестриктирующих эндонуклеаз, при этом сайты рестрикции должны быть уникальны, т.е. клонированный фрагмент ДНК должен содержать два близко расположенных уникальных сайта рестрикции в интересующей области. После эндо- нуклеазного расщепления фрагмента образующиеся «хвосты» отщепляют с помощью специфической к одноцепочечным участкам нуклеазы, и тупые концы вновь сшивают (лигируют) (рис. 27).
Принцип конструирования инсерционных мутантов сходен. Клонированный сегмент ДНК расщепляют по одному из сайтов с помощью рестриктирующей эндонуклеазы или неспецифической эндонуклеазы. При необходимости заполняют пробелы на липких концах образовавшейся линейной молекулы или отщепляют одноцепочечные «хвосты» и осуществляют лигирование в при- сутствии сегмента, который хотят встроить в рекомбинантную плазмидную молекулу ДНК. Лигирование можно осуществлять как с липкими, так и с тупыми концами.
Глава 3
РЕКОМБИНАЦИИ
Рекомбинации играют важную роль в макро- и микроэволю- ционных процессах, причем у грибов, в отличие от большинства других эукариот, рекомбинации протекают как в мейозе, так и в митозе. Генетическая рекомбинация является главным фактором, основой большинства изменений в геноме, которые служат материалом для отбора в микро- и макроэволюционных процессах. Рекомбинация — это обмен генетической информацией между молекулами ДНК, что подразумевает несколько типов перераспределения наследственных факторов.
Различают 3 основных типа рекомбинаций:
законная, или гомологичная, или общая рекомбинация, включающая мейотическую и митотическую;
незаконная, или негомологичная;
сайт-специфическая, или интегративная.
Все три типа рекомбинаций отличаются не только механизмами, но и набором ферментов, обеспечивающих эти процессы.
Термин «гомологичная рекомбинация» (по сути, кроссинговер) говорит сам за себя: рекомбинируют протяженные гетероаллель- ные участки ДНК, что приводит к новому сочетанию сцепленных генов. В этих процессах участвуют специальные системы, так называемые гес-гены. Продукты этих генов — белки рекомбиназы (типа RccA-белка Е. coif) помогают узнавать гомологичные последовательности. Таким образом, взаимодействие между рекомбинирующими гомологичными молекулами ДНК основано на взаимном узнавании и спаривании комплементарных цепей ДНК. При гомологичной рекомбинации происходит разрыв двух гомологичных участков ДНК и каждый из концов одного сегмента соединяется с соответствующими концами другого партнера таким образом, что обе образующиеся молекулы содержат разные фрагменты обоих участвующих в рекомбинации партнеров (рис. 28, а). Обычно гомологичная рекомбинация происходит между гомоло- 1ичными и аллельными участками разных молекул ДНК, но она может произойти и между гомологичными, но неаллельными областями рекомбинирущих молекул. В этом случае один из продуктов рекомбинации утрачивает часть ДНК, а другой приобретает *лишнии» сегмент. Такой процесс получил название неравного кроссинговера (рис. 28, б).
Эктотипическую рекомбинацию также можно рассматривать как один из частных случаев гомологичной рекомбинации. Она заключается в обменах (кроссинговорах) между отдельными гомологичными (но неаллельными) последовательностями ДНК, разбросанными по геному, например повторяющимися последовательностями ДНК, расположенными на одной хромосоме (рис. 28, в). В этом случае происходит потеря области, лежащей между сайтами рекомбинации, как это было показано для мобильных генетических элементов Ту дрожжей. Внутримолекулярные рекомбинации между обращенными повторами могут приводить к инверсии — повороту участка хромосом на 180°. Рекомбинация по прямым повторам между сестринскими хроматидами, или неравный кроссинговер, приводит к дупликациям и де- лециям (см. гл. 1).
Негомологичная рекомбинация осуществляется между негомологичными участками ДНК, часто при посреднической помощи мобильных элементов.
Рис. 28. Типы рекомбинации:Рис. 28. Типы рекомбинации:а — гомологичная рекомбинация; б — нсра®"ыАР
Рис. 28. Типы рекомбинации:
Рис. 28. Типы рекомбинации:
в _ эктотипн-в _ эктотипн-чсская (внутримолекулярная) рекомбинация
в _ эктотипн-
в _ эктотипн-
Этот тип рекомбинации происходит в клетках прокариот и дрожжей достаточно редко, а в клетках млекопитающих — весьма часто. Значение незаконных рекомбинаций в эволюции велико, так как данным способом могут осуществляться самые кардинальные перестройки геномов.
Сайт-специфическая рекомбинация — это обмен генетическим материалом на специфических, со строго определенными нуклеотидными последовательностями участках ДНК. Как правило, эти специфические короткие участки гомологий не превышают 15 — 30 н.п., т.е. сайты разрыва и воссоединения в двух рекомбинирующих молекулах находятся в пределах довольно коротких специфических гомологичных нуклеотидных последователь-
Геном бактериофага X (кольцевая двухцепочечная ДНК)
Специфические последовательности, по которым происходит встраивание ДНК
Хромосомная ДНКХромосомная ДНКБелокБелокrt'u»^ Сайт-специфическая рекомбинация, при которой специфиче- последоватсльности имеются в обеих участвующих в рекомбинации ДНКrt'u»^ Сайт-специфическая рекомбинация, при которой специфиче- последоватсльности имеются в обеих участвующих в рекомбинации ДНКБелковый комплекс катализирует согласованное образование двухцепочечного разрыва и воссоединение дуплексов
Хромосомная ДНК
Хромосомная ДНК
Белок
Белок
rt'u»^ Сайт-специфическая рекомбинация, при которой специфиче- последоватсльности имеются в обеих участвующих в рекомбинации ДНК
rt'u»^ Сайт-специфическая рекомбинация, при которой специфиче- последоватсльности имеются в обеих участвующих в рекомбинации ДНК
костей. Саит-спсцифическая рекомбинация часто связана с транс позициями мобильных генетических элементов в новые токусы и происходит при отсутствии гомологии между рекомбиниоу юшими молекулами ДНК. Этот тип рекомбинации широко распространен среди прокариот и низших эукариот, в том числе и среди грибов. Например, мобильность интронов группы I обес печивается саит-спсцифическими эндонуклеазами, а мобильность транспозонов II класса, для которых характерна непосредственная транспозиция с ДНК на ДНК, обеспечивается разными интегразами. Этот тип рекомбинации называют также интегративной. Интегративная/эксцизионная рекомбинация в деталях изучена для бактериофагов X с участием фермента интегразы (рис. 29).
Подводя итог, можно сказать, что общее отличие незаконной и сайт-специфической рекомбинаций от гомологичной заключается в отсутствии протяженной гомологии между рекомбинирующими участками ДНК. При гомологичной рекомбинации молекулы ДНК узнают друг друга путем прямого сопоставления их последовательностей с посредническим участием рекомбиназ типа белка RecA. Для этого в ДНК вводятся специальные пресинапти- ческие повреждения, высвобождающие одноцепочечные участки ДНК, что и лежит в основе узнавания гомологичных последовательностей. RecA-зависимое внедрение одноцепочечной ДНК в гомологичный дуплекс и является первым этапом рекомбинационного процесса (детали процесса будут представлены далее в этой главе). Напротив, при сайт-специфической рекомбинации главную роль в синапсисе играет взаимное узнавание белков, связанных с рекомбинационными сайтами. Эти сайты короткие, и гомология между ними непосредственно для синапсиса несущественна. Она важна для связывания со специфическими белками и последующего обмена цепями между сайтами.
Гомологичная рекомбинация может инициироваться не только однонитевыми разрывами, но и двухнитевыми, как, например, у дрожжей. У S. cerevisiae, по крайней мере, 11 белков требуется для инициации мейотической рекомбинации. Примеры: Spoil (spindle pole body) — II топоизомеразоподобный белок, goP^ ющий запрограммированные двухнитевые разрывы ДНК (Ь»ьь double strand breaks); Rad50-Mrel-комплекс. Мутации по гену rad О блокируют формирование точных двунитевых разрывов дик во время зигонемы профазы I. Белок Rad51 т как и его_"Р®^Р ческий гомолог RecA, обладает АТФ-зависимои активностью, способствующей обмену цепями ДНК. Эукариотическ напои- ги гесЛ-генов были обнаружены у многих других видов, напри мер, ген ccradSl у Coprinus cinereus.«кон-
В этой главе рассмотрен механизм гомологичной, ши зако ной, рекомбинации.
Мейотическая, или половая, рекомбинация
Мсйоз у грибов имеет свои особенности. У большинства грибов мейоз закрытого типа, т.е. протекает в пределах ядерной мембраны. Мсйоз состоит из двух последовательных ядерных делений (1 и II) при одном синтезе ДНК. Синтез ДНК в фазе S, когда удваивается число хромосом, называют репликативным. Во время интерфазы хромосомы имеют вид тонких диффузных нитей. После репликации сестринские хроматиды остаются тесно связанными между собой центромерами и начинают конденсироваться, что указывает на начало профазы I мсйотического деления.
Профаза I продолжительна и состоит из пяти этапов: лептоне- мы, зигонсмы, пахинемы, диплонемы и диакинеза (рис. 30). У дрожжей спаривание хромосом начинается на стадии лептоне- мы и продолжается в зигонеме. Синаптонемный комплекс формируется в пахинеме. Кроссинговер начинается в зигонеме, прежде чем появится синаптонемный комплекс, и завершается почти в конце профазы I. На стадии зигонемы (стадия сливающихся нитей) гомологичные нити начинают попарно конъюгировать, образуя биваленты. Затем на стадии пахинемы происходит кроссинговер (перекрест) хромосом между гомологами (бивалентами), состоящими из двух хроматид, связанных между собой центромерой. В диплонеме центромеры спаренных гомологичных хромосом начинают расходиться, что влечет за собой расхождение гомологов, соединенных между собой хиазмами, которые являются результатом кроссинговера. Таким образом, расходятся пары сестринских хромосом (биваленты), несущие по две хроматиды. На
КроссинговерКроссинговер/ Пары хромосом/ Пары хромосомСинаптонемныйСинаптонемныйкомплекскомплексСинаптонемный► Хиачмы►■комплексСинаптонемный► Хиачмы►■комплексРис. 30. Стадии профазы I мсйотического деления, где происходит кроссинговерРис. 30. Стадии профазы I мсйотического деления, где происходит кроссинговер
Кроссинговер
Кроссинговер
/
Пары хромосом
/
Пары хромосом
Синаптонемный
Синаптонемный
комплекс
комплекс
Синаптонемный► Хиачмы►■
комплекс
Синаптонемный► Хиачмы►■
комплекс
Рис. 30. Стадии профазы I мсйотического деления, где происходит кроссинговер
Рис. 30. Стадии профазы I мсйотического деления, где происходит кроссинговер
стадии диакинеза происходит дальнейшее
„ых хромосом, пр,. ЭТОМ хромос^“^^^^ мигрируют по направлению к концам хромосом где они испот зают». Поэтому гомологи (хроматиды) остаются спарен ый^ ко на кончиках В конце профазы 1 формируется веретено
В .метафазе / деления созревания пары хромосом располагаются в экваториальной плоскости. Во время анафазы I разлслЙ- ются хромосомы (биваленты), несущие по две хроматиды а в анафазе II расходятся (сегрегируют) хроматиды. В результате’/де- число хР°мосом в клетке уменьшается (л), но количество ДНК сохраняется (так как каждая хромосома, или бивалент имеет по две хроматиды). Расхождение хроматид во // делении сопровождается делением центромер.
Другая особенность мейоза у грибов заключается в наличии полярного тела веретена (spindle pole body — SPB) вместо центриолей, которые формируют веретено.
Итак, в пахинеме профазы I каждая хромосома состоит из двух хроматид, гомологи которых способны конъюгировать, и хрома- тиды связаны между собой центромерой. Такие биваленты располагаются линейно, и между ними образуется синаптонемный комплекс (СК). Эта структура появляется между парами гомологичных хромосом в пахинеме и исчезает или становится фрагментированной в последующей диплонеме. Данное образование можно рассмотреть на электронной фотографии, поймав стадию пахи- немы. Тогда заметно, что с помощью СК концы хромосом ассоциированы с внутренней ядерной мембраной. СК формируется по всей длине гомологов, и его появление связано с синапсисом (перекрестом) хромосом. Однако сам СК не обеспечивает узнавание гомологов, необходимое для правильного синапсиса, т.е. формирование СК не является определяющим для инициации рекомбинации, но он необходим для конверсии (превращения) рекомбинирующих интермедиатов в зрелые продукты и расхождения (disjunction) гомологичных хромосом. Это было продемонстрировано на мутантах дрожжей с нарушениями на ранних стадиях мейотической рекомбинации (early meiotic recombination mutants), которые были не способны образовывать запрограммированные двунитевые разрывы ДНК и не способны формировать СК
Йногда СК может формироваться между негомологичными хромосомами или хромосомными участками, что также косвенно свидетельствует о том, что СК нс нужен для инициации р комбинации, но он необходим, по-видимому, для конв Р (превращения) рекомбинирующих интермедиатов в зрел дукты, что обеспечивает расхождение гомологичных Однако не у всех грибов обнаружен синаптонемныи Например, отсутствие СК у таких видов, как AspergdlHS mdulans.
Schi-ophvllum commune, ведет к тому, что пересортировка возможна только на уровне целых хромосом.
у недикариофитных грибов (например, зигомицстов) после редукционного деления (мейоза) происходят многочисленные митозы, что приводит к многократному копированию продуктов первичного мейотического расщепления. В этом случае обычный анализ менделевского расщепления будет затруднен и необходимо проводить статистический анализ расщепления признаков.
У дикариофитных грибов, к которым относится большинство аскомицстов и базидиомицетов, можно непосредственно наблюдать продукты мейотического деления (4 аскоспоры в сумке или 4 базидиоспоры на базидии).
У мицелиальных сумчатых грибов мейоз сопровождается одним последующим митозом, в результате чего в сумке образуется 8 аскоспор. Поэтому в этом случае можно проводить абсолютный (а не вероятностный) анализ расщепления признаков. Впервые подобный анализ проделал К.Линдегрен на Neurospora crassa, что и положило начало тетрадному анализу. Тетрадный анализ фактически демонстрирует природу мейоза, точный порядок расхождения генов при мейотическом делении. Проведение тетрадного анализа основывается на технике микроманипулирования, что позволяет изолировать отдельные сумки, переносить их на агаровые пластинки и анализировать генотипы конкретных аскоспор.
У грибов встречаются упорядоченные и неупорядоченные тетрады. Наиболее простым для понимания является анализ, проводимый на упорядоченных тетрадах, которые обнаружены у таких аскомицетов, как Neurospora, Venturia, Sordaria. Для этих грибов характерно также то, что два веретена во II мейотическом делении направлены к различным полюсам сумки; они не перекрываются, поэтому конечные продукты мейоза располагаются в таком же порядке, что и при I мейотическом делении. Неупорядоченные тетрады обнаружены у большинства дрожжей, у грибов из родов Ascobolus, Aspergillus и др.
Прежде всего с помощью тетрадного анализа было доказано, что кроссинговер проходит на стадии четырех, а не двух хроматид. Так, простой анализ расщепления признака окраски аскоспор у N. crassa фактически позволяет «проследить за аллелями», что дает прямые доказательства биологической природы расщепления (рис. 31). Допустим, имеется зигота, гетерозиготная по нормальному аллелю (+) (пигментация в прилегающей стенке аскоспоры, дающая темную окраску аскоспор), с аллелем а, который потерял эту функцию (светлая окраска аскоспор). На рисунке представлены различные возможные варианты, являющиеся результатом разных случаев кроссинговера. Так, если бы перекрест произошел между изучаемым локусом и центромерой на стадии 98
двух нитей, то во всех сумках лежали бы последовательно 4 пиь ментированные и 4 светлые аскоспоры. Если кроссинговер происходит на стадии четырех нитей, то возможны различные пари- анты расположения аскопор в сумках, представленные на рис 31
Метафаза! Метафаза II МонадыВосемь аскоспор
Рис. 31. Тетрадный анализ на нсйроспор^^^^^ спор в сумке прямые доказательства про.тексте
дни четырех нитей. Объяснение см. в пкеп
Тетрадный анализ моногибридного скрещивания
Рассмотрим варианты рекомбинаций, которые можно обнаружить при анализе содержимого сумок на примере упорядоченных тетрад Neurospora crassa.
Л. Кроссинговер не происходит при скрещивании гаплоидов, различающихся по альтернативным признакам А и а. Получаем диплоид Аа, который вступает в мейотическое деление и образует аскоспоры:
ААааI мейотическоеделениеI мейотическоеделениеААааII редукционноеделениеII редукционноеделениеМитозМитозПарагомологичныххромосом(бивалентов)Парагомологичныххромосом(бивалентов)РасхождениебивалентовРасхождениебивалентовА АА аА АА аРасхождениехроматидРасхождениехроматидА А а а а аА А а а а аСумка с 8аскоспорамиСумка с 8аскоспорами
А
А
а
а
I мейотическоеделение
I мейотическоеделение
А
А
а
а
II редукционноеделение
II редукционноеделение
Митоз
Митоз
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Расхождениебивалентов
Расхождениебивалентов
А А
А а
А А
А а
Расхождениехроматид
Расхождениехроматид
А А а а а а
А А а а а а
Сумка с 8аскоспорами
Сумка с 8аскоспорами
В профазе I после синтеза ДНК каждая хромосома состоит из двух хроматид, гомологи которых способны конъюгировать, и хроматиды связаны между собой центромерой. Если кроссинговера (обмена) между центромерой и локусом А не происходит, то уже после I мейотического деления наблюдаем расхождение маркеров А и а. Расположение данных маркеров в сумке будет 4/1: 4а.
Б. Кроссинговер происходит на участке между центромерой и локусом А:
ААXXааI мейотическоеделениеI мейотическоеделениеА а А аА а А аII редукционноеделениеII редукционноеделениеМитозМитозПарагомологичныххромосом(бивалентов)Парагомологичныххромосом(бивалентов)РасхождениебивалентовРасхождениебивалентовI—I—аI—I—аРасхождениехроматидРасхождениехроматидАльтернативноесоотношениемаркеров всумках (тетрадах)Альтернативноесоотношениемаркеров всумках (тетрадах)
А
А
X
X
а
а
I мейотическоеделение
I мейотическоеделение
А а А а
А а А а
II редукционноеделение
II редукционноеделение
Митоз
Митоз
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Расхождениебивалентов
Расхождениебивалентов
I—
I—а
I—
I—а
Расхождениехроматид
Расхождениехроматид
Альтернативноесоотношениемаркеров всумках (тетрадах)
Альтернативноесоотношениемаркеров всумках (тетрадах)
Если конъюгируют несестринские гомологичные хроматиды (вторая и третья), то после 1 мейотического деления расхождения маркеров не наблюдается, а последующая постредукция приведет к альтернативному соотношению маркеров в тетрадах; при
этом по первой и четвертой хпоматип™
не происходит.‘ Расхождения маркеров
Кроссинговер происходит на участке мсжлу
ГОМ А, и обмениваются вторая и четвертая не^еетри^”
I мсйотическосделениеI мсйотическосделениеИ редукционноеделениеИ редукционноеделениеМитозМитозо —о —Ааа2Ааа2А а а АА а а АПарагомологичныххромосом(бивалентов)Парагомологичныххромосом(бивалентов)РасхождениебивалентовРасхождениебивалентовРасхождениехроматидРасхождениехроматидСимметричныететрадыСимметричныететрады
I мсйотическосделение
I мсйотическосделение
И редукционноеделение
И редукционноеделение
Митоз
Митоз
о —
о —
Ааа2
Ааа2
А а а А
А а а А
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Парагомологичныххромосом(бивалентов)
Расхождениебивалентов
Расхождениебивалентов
Расхождениехроматид
Расхождениехроматид
Симметричныететрады
Симметричныететрады
Расхождение маркеров после I мейотического деления не происходит (оба ядра гетерозиготны), а последующая постредукция даст симметричные тетрады.
Г. В случае сумок с неупорядоченным расположением спор, как, например, у Aspergillus (EmericellaY всегда будем получать расщепление признаков 4/1 4о или, как у дрожжей, 2А 2а.
Тетрадный анализ ди гибридного скрещиваниясо сцепленными локусами
Рассмотрим дигибридный анализ для сцепленных локусов.
Л. Кроссинговер не происходит. Родительские гаплоиды различаются по четырем признакам — А, В, С, D, и данные локусы сцеплены с центромерой, причем центромера расположена между локусами В и С. При скрещивании гаплоидов, различающихся по четырем альтернативным признакам А, В, С, D, получается гетерозиготный диплоид, который подвергается мейотическому делению, в результате чего образуются тетрады аскоспор с сочетанием признаков, соответствующих родительским гаплоидах!.
деление лАВСDАв.DА В С ■ I —и —АВсD—-—-аь;сd —1—|[ ■аьсdа b с^аbсd—iделение лАВСDАв.DА В С ■ I —и —АВсD—-—-аь;сd —1—|[ ■аьсdа b с^аbсd—iI мсйотическос ПострсдукцияI мсйотическос Пострсдукция(АВ CD АВ CD a b cd ab с di(АВ CD АВ CD a b cd ab с diАРАРТетрадыТетрадыродительскогородительскогоднтипаднтипа
деление лА
В
С
D
А
в.
D
А В С ■ I —
и —
А
В
с
D
—-
—-
а
ь;
с
d —
1
—|
[ ■
а
ь
с
d
а b с
^а
b
с
d
—i
деление лА
В
С
D
А
в.
D
А В С ■ I —
и —
А
В
с
D
—-
—-
а
ь;
с
d —
1
—|
[ ■
а
ь
с
d
а b с
^а
b
с
d
—i
I мсйотическос Пострсдукция
I мсйотическос Пострсдукция
(АВ CD АВ CD a b cd ab с di
(АВ CD АВ CD a b cd ab с di
АР
АР
Тетрады
Тетрады
родительского
родительского
днтипа
днтипа
Расхождение маркеров происходит после 1 мейотического деления. В результате последующей постредукции получаются тетрады родительского дитипа (PD, или Л parental ditype). Тетрады родительского дитипа Р представляют каждый из двух родительских генотипов.
Б. Происходит одиночный кроссинговер (обмен) между второй и третьей несестринскими гомологичными хроматидами на участке между локусами С и D.
А В С D
А В ХС DАВ CD
ABC dАВ Cd
—
abed
a bxc D— a b с D^*П
a b’ с dab_ с d
——
Два мсйотических деления
Постредукция
Получаются тетрады родительского дитипа Р (по локусам А и В) и тетрады тетратипа Т (Т, tetratype) (по локусам С и D). Тетрады тетратипа представлены как обеими родительскими генотипами, так и рекомбинантными генотипами (Cd, cD), т.е. присутствуют все возможные комбинации локусов С и D.
В. Происходит двойной двухнитевой кроссинговер, при котором обмениваются вторая и третья хроматиды:
АВС
D
А
В —-ч
D
А В
CD
. 1
А
b
с
D
А b
с D
X , >
L
—*а
В
' С
d
- q В
Cd^^
1 а b с
d
а
ь
d
а b
с d
Два мсйотических деления
Постредукция
Т р т
Расхождение маркеров происходит уже после I мейотического деления. В сумках получаются следующие сочетания маркеров: по локусам В и С, А и D — родительские дитипы Р и два тетратипа Г — по локусам А и В, С и D.
Два мсйотическихделенияДва мсйотическихделенияПостредукцияПостредукцияа Ь с dа Ь с dА ВCDА bс dа ВCdа bс DА ВCDА bс dа ВCdа bс DА В С D Abe d а 5* С d а 6 f с DА В С D Abe d а 5* С d а 6 f с DТ Т ТТ Т Т1Р+ЗТ1Р+ЗТГ. В случае двойного трехнитсвого кроссинговера, при котором обмениваются три хроматиды (вторая с третьей и третья с четвертой), получаем следующие сочетания признаков в сумках:
Два мсйотическихделения
Два мсйотическихделения
Постредукция
Постредукция
а Ь с d
а Ь с d
А В
CD
А b
с d
а В
Cd
а b
с D
А В
CD
А b
с d
а В
Cd
а b
с D
А В С D Abe d а 5* С d а 6 f с D
А В С D Abe d а 5* С d а 6 f с D
Т Т Т
Т Т Т
1Р+ЗТ
1Р+ЗТ
В результате трехнитевого обмена получаются три тстратипа — по локусам А и В, С и D, А и D и один родительский дитип по локусам Ви С.
Д. И наконец, рассмотрим случай четырехнитсвого двойного крос- синговера, при котором обмениваются все четыре хроматиды:
Два мейотических деления
Пострсдукция
А В
С DА В ।
5—А.АВ Cd
Г-у-А Ь
( сdAb cd
. X. — а В
, С D—-а у с D
а Ь
1—° ь с d
t с Da b с D
Т~ 7 N
17+27+I/V
В результате четырехнитсвого кроссинговера получается новый тип тетрад — тетрады неродительского дитипа (NPD, или N, поп- parental ditype), которые представляют собой оба рекомбинантных генотипа по локусам А и D (т.е. комбинации А и d, а и D).
Исходя из всех представленных выше вариантов нетрудно заметить следующую закономерность: при отсутствии обменов получается только родительский дитип Р, при наличии одного обмена появляется один рекомбинантный тетратип (17), при двойном двухнитевом кроссинговере — два тетратипа (27). Таким образом, при увеличении числа обменов (кроссинговеров) возрастает частота замен родительского дитипа на тетратип, т.е. возрастает число тетрад тетратипа 7.
Соотношение частоты замен родительского дитипа Р на тет
ратип 7 следующее:
2х: Зх: 4х = У4 у2 Уь т. е. максимальная частота замен Р на 7 наблюдается при трехнитевых кроссинговерах.
Число тетратипов и родительских дитипов можно рассчитать по формулам:
24
где N — число обменов (кроссинговеров); Ру — число родительских дитипов.
Очевидно, что при сцеплении локусов число родительских дитипов Р будет превышать число неродительских (рекомбинантных) дитипов N (Р > Д').
Тестом на сцепление генов служит отклонение от соотношения Р; N = 1 : 1, которое оценивается с помощью ^-тесга:
z P+N ’
глс Р _ число родительских дитипов; N — число неродительских дитипов (рекомбинантов).
При увеличении доли /V происходит неслучайная пересортировка (non-random assortment) хромосомных пар. Если частота тетрад тетратипа Г значительно меньше Ри N тетрад, при этом Р = N, значит, ссгсрегирующие маркеры (например, а и Ь) не сцеплены и находятся на разных хромосомах, но довольно близко к центромере.
Интерференция
Обмены в одной области хромосомы влияют на обмены в другой области на этой же хромосоме. В подобных случаях имеет место так называемая интерференция, при которой число фактически наблюдаемых кроссинговеров уменьшается по сравнению с числом ожидаемых двойных. Интерференция — это явление, когда кроссинговер в одной области влияет на возможность кроссинго- вера в другой области в одном и том же мейотическом биваленте. Хроматидная интерференция может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от уменьшения или увеличения влияния. В случае положительной интерференции наблюдается избыток четырехнитевых над двухнитевыми двойными обменами. В целом интерференция снижает частоту обменов. Это явление можно изучать как с тетрадами аскоспор, так и с отдельными мейотическими продуктами.
Например, подсчитывали количество кроссоверных тетрад при сегрегации признаков (мутантных аллелей), находящихся на плече I хромосомы Neurospora crass а (О. Perkins, 1962):
cr thi-1 nit aur nic-1 os (чувствительность к высокому осмотическому давлению)
Всего было проанализировано 1262 сумки, из них: 8 % — нет кроссоверов, 44% — одинарные кроссоверы, 40 % — двойные кроссоверы, 7 % — тройные кроссоверы,
т.е. соотношения отклоняются от распределения Пуассона (23, 34, 24, 12). Следовательно, формирование одного перекреста снижает возможность других, т.е. наблюдается преимущество одинарных обменов перед двойными и тройными. Если пуассоновское распределение выполняется, то интерференция практически от- ^«Уез. как это было показано для некоторых групп сцепленияAspergillus nidulans (W. Strickland, 1958). Вероятно, разные виды грибов значительно отличаются по интенсивности хиазменных интерференций.
Оценить степень интерференции можно путем расчета ко* фициента коинциденции С (coincidence). По мерс уменьшения пае- стоянии, разделяющих три гена, интерференция увеличивается и наоборот. Коэффициент С показывает степень совпадения наблюдаемого числа кроссинговеров с ожидаемым в определенной группе сцепления:
С= Фактически полученное число двойных кооссовсвов Ожидаемое число двойных кроссоверов
Экспериментальными расчетами было показано, что интерференция не происходит на участках, близких к центромере.
Дигибридный анализ несцепленных генов
Рассмотрим ситуацию, при которой гены расположены на разных хромосомах, т.е. не сцеплены друг с другом.
Гетерозиготный диплоид по альтернативным признакам A/а и В/b в случае отсутствия кроссинговера на обеих хромосомах (на участках между каждым из локусов и центромерой) даст тетрады родительского Р и неродительского N дитипов в равном соотношении:
Прередукция
।।АВаВ
I1 АВаВ
a bрn
Родительский Неродительскийдитипдитип
Если обмен совершается только в одной хромосоме, т.е. пост- редукция происходит по одной хромосоме, то образуется тетратип Т:
Постредукция
АВ В
Тстратип ТТстратип ТАЬ b
Тстратип Т
Тстратип Т
При обмене на обеих хромосомах no^^ae^ дастся по двум хромосомам. В Результа п0 ^предста-
дитип, тетратип и другие комбинации которые вить с помощью решетки Р. Пениста (табл. )•
AB ab AB AbAB ab AB AbРодительскийдитипРодительскийдитипAB
AB ab AB Ab
AB ab AB Ab
Родительскийдитип
Родительскийдитип
ab+ Другие
В комбинации
Тетратип
Таблица 7. Решетка Р. Пениста, демонстрирующая все возможные варианты тетрад при дигибридном скрещивании с несцепленными локусами
Аллели
ААаа
ааАА
AaAa
aAaA
AaaA
aAAa
ВВЬЬ
АВ
АВ = Р ab ab
аВ aB=N Ab Ab
aB aB=N
Ab
ab
aB AB= T ab Ab
AB
aB= T ab Ab
aB AB= T
Ab ab
ВЬВВ
Ab Ab= N аВ аВ
ab
ab = P
AB
AB
Ab ab = P AB aB
ab
Ab=T aB
AB
Ab
ab= T
aB
AB
ab Ab=T
AB
aB
ВЬВЬ
АВ
Ab= Т аВ ab
aB ab=T AB Ab
AB ab=T
AB ab
aB Ab=N aB
Ab
AB ab= T aB Ab
aB
Ab= T
AB ab
ВВЬВ
АЬ АВ = Т ab аВ
ab aB = T
Ab
AB
Ab aB = T
Ab
aB
ab ЛВ= P ab AB
Ab aB= T ab AB
ab AB=T Ab
aB
ВЬЬВ
АВ
АЬ=Т ab аВ
aB ab = T
Ab
AB
AB ab = T Ab aB
aB
Ab=T ab
AB
AB ab = P ab
AB
aB Ab=N Ab
aB
ЬВВЬ
АЬ АВ=Т аВ ab
ab aB=T AB
Ab
Ab aB= T AB ab
ab AB= T aB
Ab
Ab aB=N aB Ab
ab AB= P AB ab
Получаемые статистические соотношения генотипов выполи» ются при отсутствии сцепления между локусам:™Г|мня-
Р N T=V« >/2 l/4; р = N, Т= ^у
Поэтому если в эксперименте получаются частоты Р N и Т достоверно не отличающиеся от теоретически ожидаемых и соотношения проверены с помощью метода у\ то можно сделать заключение об отсутствии сцепления между локусами.
При изучении расщепления признаков можно получить следующие соотношения тех или иных типов тетр эд
N-распределение (нормальное распределение):
P:N Т=1 \ 4;
Р = N, Т = 7з.
Полученные соотношения чисто статистические и свидетельствуют о том, что гены достаточно удалены друг от друга и локусы не сцеплены.
Г-распределение:
Р= N, Т<7з
означает, что локусы расположены на разных хромосомах, а уменьшение доли образующихся рекомбинантных тетратипов указывает на то, что локусы могут быть расположены рядом с центромерой. Эти соотношения обусловлены тем, что возникновение дитипов не связано с кроссинговерами между генами и центромерой, в то время как для появления тетратипов необходима рекомбинация и между генами, и между генами и центромерой. Чем ближе к центромере расположены исследуемые гены, тем меньше вероятность появления тетратипов.
L-распределение указывает на сцепление локусов:
Р > N, Т< 2/3.
Родительский дитип Р преобладает над неродительским (рекомбинантным) дитипом N, и наблюдается сцепление генов.
Таким образом, изучая статистические распределения частот тетрад различных типов, можно сделать первый шаг к картированию генов.
Картирование генов
Прежде всего можно рассчитать расстояние изучаемого локуса от центромеры.постредукционных
(кроссоверных) тетрад % кросс ин говера (ед. кроссинговера) = -2
(деление на 2, потому что две из 4 хроматид обмениваются).
Пример 1. При скрещивании мутантного родителя со светло-окрашенными перитециями Sordaria Jimicola (мутация tan) с диким типом получали:
мп х d.t.-» 56 % кроссовсрных асков (т.е. 56 асков кроссоверных на 100 тетрад), значит, расстояние локуса tan от центромеры составляет 28 ед. кроссинговсра.
Пример 2. Мутация gray у Sordaria ftmicola:
gray' х gray* —> 2/3 - 66% асков кроссоверных, т.е. расстояние локуса gray от центромеры составило 33 ед. кроссинговера.
Однако при картировании с использованием промежуточных маркеров (между локусом gray и центромерой) локус gray оказался расположенным дальше от центромеры. Чем дальше от центромеры находится изучаемый локус, тем больше вероятность получения двойных кроссоверов, определяемых по выходу родительских дитипов. Поэтому на карте есть точка, дальше которой частота кроссовсрных тетрад не увеличивается.
Картирование генов включает 3 основных этапа:
определение групп сцепления;
определение порядка расположения маркеров;
определение расстояния между ними.
При традиционной оценке расстояния между генами используется показатель — процент рекомбинации, выражающий общее число мсйотических продуктов. Например, при скрещивании а* Ь* х а- /г расстояние между локусами а и b рассчитывается как процент а* Ь~+ а- Ь* рекомбинантных генотипов (продуктов).
Процент рекомбинации можно рассчитать по формуле:
с N*yT% рекомбинации = ———-.
Т + Р + N
Тетрады N являются полностью рекомбинантными (4/4), тетрады Т — наполовину рекомбинантны (2/4); (Т+ Р+ N) — общее число тетрад (асков).
Расстояние между локусами рассчитывается в сантиморганах (сМ):
D50(Т+ 6N)
(P+^ + T)
гес-Гены
Показано, что на частоту рекомбинаций оказывают влияние гес-гены (название происходит от recombination). Мутанты гес чувствительны к УФ, поэтому их отбор легко можно производить с использованием метода реплик после облучения колоний.
Р.Холлидей (R. Holliday, 1967) индуцировал большое количество УФ-чувствительных мутантов у возбудителя головни куку- 108
рузы Ustilago maydis. Он выделил целую сспиш
гес2, гесЗ, используя метод реплик. Так reclim^ " ^^ ствительности к УФ, был дефектен ™ ^' мимо ЧУВ"
лоиде, гомозиготном по rec2-reuv (пои мсиозу’ т е- в дип~ получали стерильное п^стГм^^
ляла меиоз, но значительно влияла на снижение эффективно™ репарации, при этом увеличивалась доля спонтанных мтци^и происходила потеря сегментов хромосом. Мутант гесЗ бХефек тен по вырезанию (удалению) дефектных пиримидиновых диме- ров и характеризовался повышенной частотой генных конверсий Двойной мутант reel гес2, будучи гомозиготным по обоим локу- сам, был полностью дефектным по митотической внутригенной рекомбинации.
У Neurospora crassa также были обнаружены гес-гены, влияющие на частоту рекомбинаций в пределах специфических генов и даже целых хромосомных сегментов (D. Catcheside, 1975). При этом контролирующий пс-ген не всегда был тесно связан с участком, на частоту рекомбинаций которого он оказывал влияние. Аллель, дающий низкую частоту рекомбинации, доминантен.
Например, рецессивный ген rec2 N. crassa расположен на V хромосоме и контролирует участок сцепления на IV хромосоме, состоящий из следующих маркеров (мутаций ауксотрофности):
ругЗ hisS trp41еи2.
Аллель гес2, дающий низкую частоту рекомбинации, доминантен. В норме частота рекомбинации между локусами ругЗ и his5 не превышает 10%, но в скрещиваниях recx гес2происходило резкое увеличение частоты рекомбинаций в 30—40 раз. Этот же локус гес2 влиял на внутригенные рекомбинации в пределах локуса his3, расположенного на I хромосоме.
Выделить мутанты, дефектные по рекомбинации, можно по нарушению их способности формировать жизнеспособные меиоти- ческие споры. Например, у Schizosaccharomyces pombe было выделено много мутантов, неспособных спорулировать, причем блокирование функций могло происходить на различных этапах полового цикла: от слияния клеток до нарушений в I и II мейотическом делениях. Многие гес-муганты влияют на внутригенные рекомбинации, и, как было показано позже, продуктами некоторых гес-ге- нов являются белки рекомбиназы, участвующие в образовании пере- крестов (хиазм) во время кроссинговера (см. далее схем)’ Холлидея).
Внутригенные рекомбинации
Внутригенные рекомбинации по клком>-л"®° изучать с использованием мутантов по этому локусу, фланкиро ванному другими маркерами.
Допустим, имеется два ауксотрофных мутанта — met 1-1 и met 1-2 — по метионину у /V. crassa. Этот локус фланкирован другими локусами — trp и pan trp — потребность в триптофане, pan — потребность в пантотенате.
Один родитель является ауксотрофом по метионину и триптофану (trp metl-1**), другой — по метионину и пантотенату (+ + met 1-2pan). Контроль расщепления будем проводить по фланкирующим маркерам. В зиготе ауксотрофные ядра сливаются и образуют прототроф:
trp met 1-1х ~:trp met 1-1х ~:хmet 1-2 panхmet 1-2 pan
trp met 1-1
х ~:
trp met 1-1
х ~:
х
met 1-2 pan
х
met 1-2 pan
Внутригснная рекомбинация
В потомстве при рассеве аскоспор получились следующие классы рекомбинантов:
+ + + + Прототрофы — 50 шт.;
36 шт.9 шт.5 шт.36 шт.9 шт.5 шт.trp + + + + + *рап trp* *рап
36 шт.
9 шт.
5 шт.
36 шт.
9 шт.
5 шт.
Фланкирующие маркеры реципрокно обмениваются, и все полученные комбинации свидетельствуют в пользу реципрокных обменов по фланкирующим маркерам, т.е. об обычной межлокусной рекомбинации. Интересно то, что во всех случаях наблюдаем восстановление нормального (дикого) генотипа по метиониновой зависимости (+ +), что свидетельствует о внутрилокус- ной рекомбинации, причем данные рекомбинации не реципрокные. Так, с помощью двух реципрокно рекомбинирующих фланкирующих маркеров можно обнаружить внутригенные рекомбинанты. Внугригснные рекомбинации есть результат не реципрокных обменов, а так называемой конверсии генов.
Конверсия генов
Конверсия гена является биологическим процессом, играющим важную роль и в эволюции живых организмов, и в их онтогенезе. Помимо того, что конверсия гена участвует в гомологической рекомбинации, она является одним из проявлений другого фундаментального генетического процесса — репарации ДНК. В основе конверсии лежит общий механизм — исправление (коррекция) неспаренных (некомплементарных) оснований в реком- 110
бинационном гстеродуплексс ДНК. Конверсия генов может про- „сходить как в случае законных, так и незаконных рекомб^на- инн. Конверсия гена - это нереципрокиая гомологичная рекомбинация, основанная на коррекции неспаренных оснований в рекомбинационном гетеродуплексе.
Отклонения от менделевского расщепления при тетрадном анализе на N.crassa Маргарет Митчел в 1955 г. объяснила конверсией генов. Работая с пиридоксинзависимыми мутантами, она предположила связь явления конверсии с кроссинговером, однако в отличие от механизма классического кроссинговера внугриген- ные рекомбинации могут быть нереципрокными. Еще раньше в 1949— 1953 гг. это явление описал К. Линдегрен на дрожжах.
Конверсия гена — это явление, когда одна из двух копий какого-либо аллеля замещается (или «конвертируется») экстракопией другого аллеля, т.е. происходит внугригенная рекомбинация, причем нереципрокная в отличие от классического реципрокного кроссинговера, рассмотренного выше. У грибов конверсия широко изучалась с помощью цветных мутаций, например окраски аскоспор у Ascobolus. Этот гриб удобен для тетрадного генетического анализа, так как способен образовывать большие сумки с крупными аскоспорами, которые можно изолировать прямо на предметном стекле.
Пример. У аскомицетного гриба A. immersus с неупорядоченными тетрадами при скрещивании светлых и темных аскоспор получали:
светлый (мутант) х темный (нормальный фенотип)-*
—> расщепление не 1 1, а 3 1,
т е в тетраде было 6 мутантных светлых 2 темные нормальные аскоспоры (ожидаемое менделевское расщепление должно быть 4 4 при скрещивании светлых (мутантных) и темных аскоспор ДИ Еще более удивительным оказался вариант получения класса темных аскоспор при скрещивании светлых мутантных родительских генотипов.пскпспоо- если
Допустим, а и Ь - два ™™. ” " гетерозиготная клетка а b /а b . поелстадлены в рав- среди продуктов мейоза оба аллеля гена будут представлены Р ном соотношении, т.е. 4 светлые
о b х о* b* — а b а оо b х о* b* — а b а о4 светлые : 4 темные4 светлые : 4 темныеаау * (менделевское расщепление)у * (менделевское расщепление)ab*ab*
о b х о* b* — а b а о
о b х о* b* — а b а о
4 светлые : 4 темные
4 светлые : 4 темные
а
а
у * (менделевское расщепление)
у * (менделевское расщепление)
ab*
ab*
Однако в Р^”^"^ ного локуса) может быть след.
mutant mutant светл. светл.mutant mutant светл. светл.КроссинтоверКроссинтовера Ь*а Ь*a* b'аЬь а bа Ь* ^a* b'аЬь а bа Ь* ^светлый фенотип
mutant mutant светл. светл.
mutant mutant светл. светл.
Кроссинтовер
Кроссинтовер
а Ь*
а Ь*
a* b'
аЬь а b
а Ь* ^
a* b'
аЬь а b
а Ь* ^
коричневые (оба сайта нормальные) светлые (внугригснные рекомбинанты светлые в результате конверсии)
3:1, или 6:23:1, или 6:2а и b — мутантные сайты в пределах гена,отвечающего за окраску спора и b — мутантные сайты в пределах гена,отвечающего за окраску спорПозже был предложен механизм конверсии генов: в ходе репликации ДНК происходит копирование с переменой матрицы. Оно и приведет к описанному выше расщеплению. Фактически происходит коррекция молекулярной гетерозиготы в результате не- рсципрокной рекомбинации. Схематично данный процесс можно изобразить следующим образом:
3:1, или 6:2
3:1, или 6:2
а и b — мутантные сайты в пределах гена,отвечающего за окраску спор
а и b — мутантные сайты в пределах гена,отвечающего за окраску спор
а*
Ь_
а* А")
1 светлый фенотип
т_
_г
1 коричневые 3:1, конверсия од-
а
ь*
a b 1 а У)
Г светлыеного аллеля в
1 светлыедругой (светлой
окраски в тем-
ную окраску)
Чтобы показать, является ли данное расщепление результатом конверсии или кроссинговера, нужно провести бэккроссы, т.е. все потомство скрестить с родителями (табл. 8):
Рх: ab* * Pi.a*b — оба родителяимеют светлую окраску аскопор(внутрилокусныс гстерозиготы)
Таблица 8. Бэккроссы между потомками и их родителями
ff^-^Родители потомки^"'-^^
а Ь* светлые
а* b светлые
Генотипы
ее
—
—
4 темные : 4 светлые (по Менделю)
ОО ОО ОО
0/8000* 7/2000 10/3500
6/1500 0/10000 0/800
а Ь* Л Отсутствие одного класса а*b 1 светлых спор — генотипа a*b J а b — свидетельствует
о кроссинговерс
ее
—
—
4 темные : 4 светлые (по Менделю)
ОО ОО ОО
0/10000 8/1800 0/11000
11/2400 0/6400 0/1400
а У ) Результат конверсии, так как а* Ь ) присутствуют все варианты ab )генотипов аскоспор
светлой окраски
Примечание. В числителе — число октад, давших расщепление 2 6 (окрашенные и светлые споры), в знаменателе — общее число проанализированных зеков
с™^
^XXp?"™ расСТОШ1ии- образуются за счет реципрокного крое-
Какое можно дать объяснение этому явлению? В начале 60-х годов XX в. появилось несколько моделей кроссинговера, которые объединяли представления о конверсии и реципрокной рекомбинации. Одной из таких моделей является схема Р. Холлидея которая постулировала единство реципрокной рекомбинации и конверсии генов. Фактически предположение о том, что при генетической рекомбинации образуются гетеродуплексные ДНК (гибридные ДНК), было независимо высказано двумя учеными, Н. Whitehouse и R. Holliday, в одно и то же время (публикации 1963-1965 гг.).
По мере накопления данных, особенно данных по мутациям с повышенной чувствительностью к действию мутагенов, была выделена целая серия мутантов по репарации (rad, DNA repair genes), которые позволили охарактеризовать два основных типа ферментов — эндонуклеазы и лигазы, участвующих в процессе рекомбинации. Были также описаны гены (и кодируемые ими ферменты), которые фактически влияют на эффективность рекомбинации — это гес-гены и белки рекомбиназы.
Гипотеза Холлидея (1964) была предложена для грибов. Она была основана на утверждении, что в основе процесса рекомбинации лежит принцип «разрыв—воссоединение» пар гомологичных молекул ДНК, что в дальнейшем было продемонстрировано экспериментально многочисленными работами. Схема Холлидея разработана для мейотического кроссинговера. Напомним, что ядро мейотической клетки в профазе I содержит по 4 гомологичные хроматиды, но в каждом отдельном акте кроссинговера участвуют только две из них — несестринские, от разных гомологичных хромосом (рис. 32).
Рекомбинация начинается с симметричных пер™4»^ ^ цепочечных разрывов фосфодиэфирных связей ДНК - по одному разрыву в каждой биспирали ДНК (разрыв обеспечив эндонуклеазой). Разрывы происходят в двух “е™* “""’^ лярности (например, З'-цепи) (рис. 32, *- а в опреде-
вал также, что разрывы возникают не в > подтверждено экс- ленных сайтах ДНК, что впоследствии было подтвержден "^"чек первичных Р^™ "^^ ми между дуплексами, т.с. концы ните псре(2расываются „а бреются от комплементарных пар Р об стся перекрест оди- ши в гомологичных молекулах ДНК. Образуется и
ABC
а В С
Рис. 32. Схема Холлидея.
Вертикальные черточки указывают места первичных разрывов в цепях ДНК
ночных нитей (полухроматид) и создается крестообразная структура, названная полухиазмой Холлидея (the crossed strand Holliday structure) (рис. 32, б). Полухиазма — потому что в обмен вовлечены только две из четырех цепей ДНК (в отличие от полной хиазмы — характерного продукта завершенного мейотического кроссинговера). Концы переброшенных нитей лигируются с концами нитей реципиентных молекул ДНК.
Затем происходит очень важный процесс перемещения точки перекреста цепей в полухиазме вдоль рекомбинирующих дуплексов — миграция ветвления (миграция полухиазмы). Миграция ветвления заключается в следующем: от начальной точки перекреста цепей исходные дуплексы расплетаются, и высвобождающиеся цепи тут же ренатурируют с комплементарными цепями из гомологичных дуплексов, что приводит к образованию гибридных участков ДНК заметной протяженности и последующему удлинению гетеродуплекса В/b (рис. 32, в\ На каждом биваленте образуется гетеродуплексный участок ДНК, состоящий из ориги- 114
ПИЛЬНОЙ ЦСПИ И ПОПОЙ пт
НИН гетсродуплексного'участка и закинется ” У“икс‘ .««грации ветвления, при этом размеры mn. uua№U4CCKUU ^ei рьнровать от нескольких сот до н^м0^ »а-
пар.нескольких тысяч нуклеотидных
После того как гетеродуплекс сформировался должно поо- изоити разделение сложной разветвленной структуры на гомологи. Этот этап называется разрешением полухиазмы. Для разрешения необходимы еще два дополнительных разрыва цепей: вторичные Разрывы завершают обмен цепями. Но прежде полухиазма претерпевает изомеризацию, в ходе которой ее структура несколько изменяется за счет теплового движения молекул. Потом соверша- ется один поворот на 180е любой пары дуплексных плеч (на рис. 32, в — нижней пары). Далее происходят два вторичных разрыва одинаковой полярности: 2-2 - в нитях, претерпевших обмен, или 1-1 в интактных нитях, что приводит к образованию двух типов рекомбинантных хроматид (рис. 32, г, д, е): 1. Если разрыв происходит в плоскости 2-2 (в рекомбинантных хроматидах), то хроматиды будут, содержать внутренний гетеродуплекс В/b, а фланговые маркеры А и С не обмениваются и остаются нерекомбинантными (не отличаются от исходных); такая картина наблюдается в случае «без кросс инговера». 2. Если разрыв происходит в плоскости 1-1, то в интактных нитях образуются рекомбинантные хроматиды второго типа — кроссоверные, которые также содержат внутренний гетеродуплекс В/b, но в то же время обмениваются и участки по обе стороны от него (т.е. обмениваются также и фланги). Таким образом, происходит замена дальнейшего протяжения нити ДНК, т.е. кроссинговер затрагивает полную хиазму, в результате чего образуются гетеродуплексные нити по всей длине цепи ДНК. Конверсия локуса В сопровождается реципрокным обменом фланговых маркеров А и С, т.е. имеет место как кроссинговер, так и конверсия гена. Обе ситуации равновероятны. Таким образом, схема Холлидея демонстрирует единство процессов конверсии и кроссинговера при гомологичной Ре*От исходных молекул в рекомбинационный ""^'“““i"®: гут войти разные аллели, и тогда в нем возникнут H“"at*" основания т.е. произойдут нарушения комплементации нтклео- тидов. В этой ситуации начинают Ра6°”" ^"^“ ^^дуп- производящие коррекцию неспаренныиспи ДНК и
лсксе. Они удаляют неспаренное основание^“^"^ , достраивают образующуюся брешь *(превращая) один комплементарной цепи, тем' =aN'b'“ ^^ репарация может про- аллель в другой (происходит конв р ). Р репарации исходить в обоих "anPaMeHM"H^"7‘^ обеспечивает молекулярную точность кроссинги у
5’ Вытеснение5*5’ Вытеснение5*5*5*3'3*3'3*5'5'5* Внедрение5’5* Внедрение5’5*I 3'I Расщепление петли5*т _3*3'.о—ZZ5'III \ Ассимиляция3-45'5'3’, Изомеризация5’_3’5*I 3'I Расщепление петли5*т _3*3'.о—ZZ5'III \ Ассимиляция3-45'5'3’, Изомеризация5’_3’Рис. 33. Мсйотичская рекомбинация (по М. Мсзельсону и К. Рэдищу)Рис. 33. Мсйотичская рекомбинация (по М. Мсзельсону и К. Рэдищу)
5’ Вытеснение
5*
5’ Вытеснение
5*
5*
5*
3'
3*
3'
3*
5'
5'
5* Внедрение
5’
5* Внедрение
5’
5*I 3'
I Расщепление петли
5*т _3*
3'.о—ZZ5'
III \ Ассимиляция
3-45'
5'3’
, Изомеризация
5’_3’
5*I 3'
I Расщепление петли
5*т _3*
3'.о—ZZ5'
III \ Ассимиляция
3-45'
5'3’
, Изомеризация
5’_3’
Рис. 33. Мсйотичская рекомбинация (по М. Мсзельсону и К. Рэдищу)
Рис. 33. Мсйотичская рекомбинация (по М. Мсзельсону и К. Рэдищу)
Несколько позже М.Мезельсон и К. Рэдди к г (1975) частично изменили схему кроссинговера по Холлидею. Эту модель принимают и в настоящее время. Она представлена следующими этапа
ми (рис. 33):
На начальной стадии рекомбинации гомологичные участки парных молекул ДНК сближаются и гетсродуплексный участок образуется нс на двух, а только на одной молекуле ДНК (в одном из двух бивалентов); при этом происходит одноцепочечный разрыв лишь в одной молекуле ДНК.
Вслед за разрывом один конец нити вытесняется другим ее концом, который наращивается ДНК-полимеразой (волнистая линия на рисунке), т.с. происходит вытеснение правого участка нити ее левым растущим участком (фактически миграция ветвления). Миграция ветвей направлена от 3'- к 5-концу нити реципиент- ной ДНК.
Вытесненный конец в свою очередь спаривается со второй молекулой ДНК (другой биспиралью), вытесняя там участок од-
ной из ее нитей, в результате чего образуется D-петля замещения (D- loop, displacement). D-петля расщепляется RecBC-нуклеазой на стадии ассимиляции. Таким образом, видно, что гетеродуплекс образуется только на одной из рекомбинирующих молекул ДНК.
Далее следует изомеризация — поворот флангов рекомбинирующих молекул ДНК друг относительно друга на 180е, что превращает од- нонитевой перекрест в двухните- вой, и фланги оказываются тоже рекомбинировавшими.
После этого перекрест может мигрировать налево или направо, в результате чего дополнительно образуются, или «растут», гетеро- дуплексные участки на обеих молекулах ДНК. Эндонуклеазы и лигазы завершают рекомбинацию. В этой схеме также наблюдается единство процессов конверсии и рекомбинации.
Таким образом, рекомбинация —■ это сложный многоступенчатый процесс, требующий расплетания молекул ДНК, разрыва нуклеотид-
ных цепей, внедрения цепей ДНК
дующего разрезания цепей и устпанеиииРаИИИ BCTB;,C,,”«. послс- имеющихся сведений о фермента!и. m "0Лухиазм- Большинство тем СТОЛЬ СЛОЖНО УСТрОСННЫЙ
нии обмена генов у Е coli хотя v НИЗм’ полУчсно при изуче- низма нет типичного для эукариотм^
ведение представлено конъюгацией' ’ П°Л°”0С
рек^нХ^“Ы>процесс генетической
лекале Дн”° ~ обсспе~ одноцепочечные разрывы в мо- чеч^е кон" " °ТКуСЬ1Вает‘ высвобождающиеся одноцепо- ныёконп»т“в"аЯ ДНК-ПОЛИМ=Р^ - достраивает одноцепочеч-
— лигаза — сшивает концы молекул ДНК.
Все эти ферменты известны, выделены и изучены в экспериментах, и их участие в процессе рекомбинации показано экспериментально.
Основные закономерности процессаконверсии
и синаптонсмного комплекса, называемыми рекомбинационными узелками. Последние бывают двух типов — ранние и поздние. Ранние рекомбинационные узелки связаны с конверсией, поздние (их несколько меньше) — с кроссинговером. По времени появления в мейозе узелки совпадают с приписываемыми им процессами. Конверсия идет в зигонеме или даже в лептонеме. Роль конверсии заключается в проверке гомологии между хромосомами после их временного синапсиса. Проверка осуществляется прямым сравнением последовательностей ДНК через попытку сформировать гетеродуплекс.
При наличии гомологии ситуация стабилизируется при участии синаптонсмного комплекса. При отсутствии гомологии хромосомы расходятся для новых попыток поиска гомологии. События кроссинговера происходят в пахинеме и приводят к формированию хиазм, которые необходимы для правильного расхождения гомологов в анафазе I.
Эта гипотеза получила убедительные, хотя и косвенные подтверждения, полученные при изучении мутантов, дефектных по мейозу. Например, у дрожжей мутант тег 1 образует нежизнеспособные аскоспоры (что указывает на нарушение мейоза) и дефектен по обоим типам мейотической рекомбинации и спариванию гомологичных хромосом.
Если в клетку мутанта merl ввести на плазмиде большое число копий другого гена — MER2, то у полученного гибридного штамма одновременно полностью восстанавливается способность к конверсии и спариванию хромосом, но кроссинговер и жизнеспособность аскоспор не восстанавливаются.
Эти данные указывают на роль конверсии в поиске гомологии и на то, что синапсис — прямое следствие поиска гомологии. В то же время они свидетельствуют о роли кроссинговера в расхождении хромосом, поскольку нерасхождение хромосом в результате подавления кроссинговера приводит к утрате жизнеспособности аскоспор.
Важно еще раз подчеркнуть взаимосвязь между конверсией и кроссинговером. С одной стороны, из рассмотренной модели рекомбинации следует, что конверсия является этапом общего процесса кроссинговера. С другой стороны, накоплено большое количество данных о том, что многие мутации рекомбинационных генов (гее) по-разному влияют на оба типа рекомбинации: одни избирательно подавляют конверсию, другие — кроссинговер. В то же время в одних случаях рекомбинация сводится преимущественно к кроссингверу, в других — к конверсии. Таким образом, конверсия и кроссингвер часто выступают как независимые явления. Но насколько независимые? — на этот вопрос ответа пока нет. Оба процесса базируются на общих моделях.
Постмейотическая сегрегация
В ходе кроссинговсра генов, как было показано в схемах об- разуются некие участки молекулярной гетерозиготности (гетеоо- дуплексныс молекулы ДНК, или гетерозиготные ДНК-дуплексы) При последующем митотическом делении молекулярная гетерозиготность исчезает: благодаря полуконссрвативной редупликации ДНК каждая из вновь синтезированных молекул будет нести (в соответствующих участках) лишь по одному из двух альтернативных маркеров, т.е. фактически происходит пост-мейотическое расщепление аллелей. Таким образом, если происходит репарация, то при постмейотической сегрегации (PMS — postmeiotic segregation), т.е. в митозе, следующем за мейозом, хотя и будет наблюдаться в некоторых сумках соотношение аскоспор — 4 темные 4 светлые, но расположение их в сумке будет абберантным (см. схему ниже). Постмейотическая сегрегация фактически служит доказательством того, что генная конверсия произошла.
Впервые постмейотическую сегрегацию в митотическом делении, следующим за мейотическим, продемонстрировали У. Kitani, L. Olive (1967) у 8-спорового аскомицета Sordaria fimicola. При скрещивании культур, полученных из спор дикого типа (темные), с мутантными (светлыми) колониями были обнаружены следующие типы расщепления в сумках:
а) 4 теми. 4 светл.; б) 6 теми. 2 светл.; в) 2 теми. 6 светл.; г) 3 теми. 5 светл.; д) 5 теми. 3 светл.; е) аббер.4 теми. 4 светл.
ПродуктыПродуктыО'О'Расщепления б и в есть результат конверсии генов, расщепление а __ это норма, в то время как расщепеление е есть результат постмейотической сегрегации, представленной на схеме.
Продукты
Продукты
О'
О'
гетсрозиготностъ (на схеме в) по мар-гетсрозиготностъ (на схеме в) по мар-Поолукты митоза —- расщепление 4 теми. : 4 светл., Продукты .^ абберакгным распоЛожение.м аскоспор; 3 теми. 1 светл. 1 теми. : 3 светл.
гетсрозиготностъ (на схеме в) по мар-
гетсрозиготностъ (на схеме в) по мар-
Таким образом, молекулярная керу окраски спор в митозе исчезает.
Подобная^
зом, показывает, что хроматиды .с жашие некомплемен-
тически это гетеродуплексны >^ внутренней гетерозиготнос- тарные нуклеотидные пары, в сайте вн> р ти изучаемого аллеля).
•
•
•
• •
• •
•
•
•
• •
• •
•
О
•
о
О
• •
•
О
•
• •
• О
о
О
•
о •
• О
о
о
•
• о
о
О
о
о
О
о
О
о
О
о
о
О
о
О
о
О
Норма
Конверсия
PMS
Конверсия (репарация)
4:4
2
6
аббер.4 :4
одного гетеродуплекса, PMS, по другому
5:3
Другие возможные варианты спор в сумках:Другие возможные варианты спор в сумках:расщеплений маркера окраскирасщеплений маркера окраски
Другие возможные варианты спор в сумках:
Другие возможные варианты спор в сумках:
расщеплений маркера окраски
расщеплений маркера окраски
Постме йотическая сегрегация еще раз доказывает происходящие в ходе мейотической рекомбинации процессы репарации, при которых образуются внутренние (в пределах какого-либо аллеля) участки с неспаренными нуклеотидами, дающими при расщеплении в митозе различные аллели, и может происходить конвертирование одного аллеля в другой.
Пример. Частоты генной конверсии и постмейотической сегрегации в скрещиваниях
дикий тип х мутантный
для некоторых аскомицетов представлены в табл. 9.
Таблица 9. Частота постмейотической сегрегации признаков (PMS) у аскомицетов
Ген
Всего сумок
Расщепление в сумках
% сумок (немецделев- ские расщепления)
PMS (% от всех немен- делевских расщеплений)
6: 2
2 : 6
5: 3
3:5
аббер. 4:4
Sordaria fimicola (Y. Kitani, L. Olive, 1967)
graygl
48710
31
6
35
14
13
0.20
61
^2
45 890
7
5
26
23
35
0.22
92
Ascobolus immersus (N. Paquette, 1978)
A.
13 492
58
80
573
670
1054
17.0
94
ки Собес"еч^Пающ^были выделены бел-
(MutL homologY ИЛИ PMS^ost Si^y^MLH
кариотического MutS — Л/5Я-бслки (M/fv * ’ / г°м°логи ПР°" выявить по гомологиям с бактериальными Ко™”8^ Их удалось белки могут участвовать и в 4SLXS™ в конверсии. Главное доказательство участия каждого белка в кон версии - повышение частоты постмейотической сегоегащщ у мутанта по соответствующему гону. Причем эукариотиче?киТб^ки взаимодействуют с несларенными основаниями по той же с” ме, что и их бактериальные гомологи, но они проявляют большее разнообразие и представлены семействами. У дрожжей обнаружены три гомолога MutL (MLH1, MLH2, MLH3) и шесть гомологов MutS (от MSH1 до MSH6). Однако не все белки заняты в конверсии. Например, MSH4 и MSH5 участвуют в мейотическом реципрокном кроссинговере, но не в конверсии.
Позже было показано, что для успешной гомологичной рекомбинации необходим нормально функционирующий ген гесА (A. Clark, 1975). В общей рекомбинации участвуют два специфических фермента и еще несколько ферментов, катализирующих процессы репликации и репарации ДНК. Для E.coli было экспериментально показано, что фермент RecA обеспечивает обмен одиночными цепями и соединяется с местом однонитевого разрыва и характеризуется способностью расплетать биспираль ДНК. Функция этого фермента заключается в перебрасывании однонитевого участка ДНК на сверхспирализованную двухнитчатую ДНК (при образовании D-петли замещения). Белок RecA обладает также протеолитической субстратной специфичностью. RecA- зависимое внедрение одноцепочечной ДНК в дуплекс первый этап рекомбинационного процесса. Белок RecA фактически инициирует рекомбинационный процесс. Однако есть и другие белки, способные вызывать рекомбинационное соединение молекул ДНК по участкам гомологий, например ДНК-синаптаза. Очищенный фермент способен соединять между собой биспиральные ДН или биспиральные ДНК с гомологичными однонитевыми ДНК подобно белку RecA. Второй фермент Е. сок. “стоящий> з,пхх отдельных субъединиц и поэтому называемый ес ' 1111НОС.’ обладает эндо- и экзонуклеазной, а также «ликэзнои £™« тями. Фермент RecBCD-нуклеаза индуцирует разрывы п пл ной ДНК и благодаря присущей ему хыиказиои.акта““^.
с RecA инициирует рекомбинационный процесс. Идс Ф
ван также фермент, разрезающий узлы в структурах Холлидея; при его участии образуются липкие концы, соединяемые лигазой. В гомологичной рекомбинации участвуют также хеликазы и белки, связывающиеся с одноцепочечными ДНК (555 — single strand binding). Они необходимы для обеспечения процесса миграции ветвления. Белки SSB также стабилизируют однонитевый участок ДНК. Как известно, перемещению цепей во время миграции ветвления способствует ДНК-полимераза I Poll, а в воссоединении разорванных цепей участвует ДНК-лигаза. Для снятия топологических оцэаничений при раскручивании спирали и для распутывания перекрученных структур, по-видимому, приходят на помощь топоизомераза типа I и гираза. ДНК-хеликаза (DNA helicase) и гираза способны расплетать биспираль при наличии однонитевого участка ДНК. Хеликазы участвуют также в замещении нуклеотидов во время коррекции гетеродуплексных участков (репарации ДНК).
Помимо гипотезы Холлидея существуют и другие. Например, у дрожжей 5. cerevisiae никогда не наблюдали однонитевые разрывы. Дж.Жостак с соавт. в 1983 г. предложили модель двухнитевых разрывов. Исследователи обнаружили специфические двухцепочечные разрывы в генах arg4 и his4, возникающие только в мейозе. Согласно этой модели, сначала эндонуклеаза делает двухнитевой разрыв, а 5'3'-экзонуклеаза делает брешь, в результате чего образуются однонитевые рекомби ногенные З'-концы, куда и садится фермент RAD52 (5. cerevisiae) (рис. 34). Этот фермент синтезирует D-петлю замещения, происходит миграция ветвления плюс репаративный синтез ДНК, в результате чего брешь замещается.
Изучение мейотических мутаций позволило выделить гд^-гены репарации ДНК у Coprinus и S.cerevisiae (C.Zolan et al., 1995). У дрожжей обнаружены белки Spoil и Rad50-Mrel 1-комплекс, которые играют существенную роль на ранних стадиях мейотической рекомбинации, а именно, в двухнитевых разрывах молекул ДНК, что и инициирует мейотическую рекомбинацию. Эти же белки описаны и у Coprinus. У дрожжей по крайней мере 11 белков требуется для инициации мейотической рекомбинации, и несколько из них хорошо охарактеризованы. Spoil — это белок, подобный топоизомеразе II, который образует запрограммированные двухнитевые разрывы ДНК (double strand breaks = DSBs). Мутации по гену rad50 блокируют формирование точных двухнитевых разрывов ДНК (DSBs), которые происходят во время зигонемы профазы I. Rad51-белок, как и его прокариотический гомолог RecA, обладает АТФ-зависимой активностью в обмене цепями. Эукариотические гомологи RecA-белка были обнаружены у многих видов.
Значение конверсии как одного из механизмов законной и незаконной рекомбинации очень велико. Показано, что кроссин- говер может происходить (хотя и редко) в условиях, когда обра-
Рис. 34. Мсйотнчсская рекомбинация с двухнитсвыми разрывами у дрожжей (по механизму репарации двухцепочечных разрывов)
зованис синаптонемного комплекса подавлено в клетках дрожжей, начавших готовиться к мейозу. В этих же условиях весьма активно происходит генная конверсия (репарация в гетеродуплексном участке ДНК, образовавшемся в результате переброски конца нити с одной хроматиды на другую). Считается, что синаптонемный комплекс стимулирует изомеризацию рекомбинирующих хроматид, но мало влияет на сближение гомологов и на первую стадию рекомбинации — образование структур Холлидея или Ме- зслсона. Доказано образование молекулярных структур такого типа и рекомбинаций на уровне ДНК в половых и соматических клетках. Обмен однонитевыми участками гомологичных ДНК не нуждается в синаптонемном комплексе. Можно заключить, что потенциальная способность к генетической рекомбинации является врожденным свойством любых репродуцирующихся клеток — не только половых, но и соматических. Лишь в дополнение к этому выработаны специальные аппараты, в том числе синаптонемный комплекс, обеспечивающий многократное повышение частоты межгенных обменов в клетках полового пути во время мейоза. Таким образом, во всех размножающихся клетках эукариот есть все условия для генетических рекомбинаций. То, что они действительно происходят, доказывают данные о соматическом ^митотическом^ кроссинговере.
Митотическая рекомбинация
Отдельные ядра в мультикариотических клетках грибов могут сливаться. Если сливаются генетически различные ядра, возникают гетерозиготные диплоиды. Образование гетерозиготных дип- лоидов у гетерокарионов Aspergillus nidulans впервые наблюдал в 1952 г. английский миколог Дж. Ропер. Гены, находящиеся в диплоидных ядрах, в процессе митозов могут рекомбинировать вследствие трех явлений: гаплоидизации, нерасхождения хромосом и митотического кроссинговера. Изучение этих процессов позволило использовать их для генетического анализа, что особенно важно для лишенных полового процесса и, следовательно, мейотичс- ской рекомбинации несовершенных грибов. Рекомбинация при митозе, в отличие от мсйотической, названа Г. Понтекорво пара- сексуальным процессом. Благодаря работам Дж. Ропера, Г. Понтекорво, Э. Кефер и других исследователей наиболее детально па- расексуальный процесс был изучен у Aspergillus nidulans.
Этапы анализа парасексуального процесса следующие:
получение гетерокарионов;
получение гетерозиготных диплоидов;
выделение и анализ гаплоидных сегрегантов;
выделение и анализ диплоидных сегрегантов.
Получение гетерокарионов
Для получения гетерокарионов, как правило, используют моп- фологическис или биохимические маркеры. Последние лают возможность автоматически выделять гетерокарионы на селективных средах. Обычно используют ауксотрофныс мутации и мутации устойчивости к антибиотикам. В первом случае смесь двух ауксо- трофных мутантов (например, met и arg) высевают на полноценную жидкую или плотную среду с тем, чтобы образовалось переплетение гиф и появились возможные анастомозы, а затем выросший мицелий частями переносят на минимальную среду, на которой каждый мутант в отдельности расти не может. Вследствие комплементации гетерокариотические участки мицелия дадут на минимальной среде рост в виде секторов. При использовании мутантов, резистентных к антибиотическим веществам, смесь спор таких мутантов высевают на среду, лишенную этих ингибиторов, а затем переносят на среду, содержащую оба токсические компонента. Такой метод выделения гетерокарионов может быть успешен лишь в том случае, если гены резистентности доминантны. При наличии рецессивных генов устойчивости в гетерокарионе доминирует чувствительность и роста на двойной среде не будет. Удобно выделять гетерокариотические сектора, если в дополнение к биохимическим штаммы имеют морфологические маркеры. У A. nidulans получены мутации, изменяющие окраску конидий: w (white) — белые, у (yellow) — желтые, /w (fawn) — желто-коричневые и др. При использовании в качестве одного или обоих партнеров таких мутантов гетерокариотичные секторы легко визуализировать по мозаичной окраске, возникающей вследствие расщепления гетерокарионов при конидиогенезе и образовании разноокрашенных цепочек монокариотических конидий. Поэтому отсевать гетерокарионы для дальнейших исследований необходимо с растущего края сектора, имеющего много вегетативных гиф и мало конидий.
Получениедиплоидов
Дипломы в соматических клетках теоретически могут возникать вследствие трех событий: 1) потери "а при ^ нормальное для цикла развития данного гриба Р^^”"0'^. ление не происходит и ядра в вегегативны.х_клетках оста юте яд лондными (у Л. nidulans диплоидны 0.1 г а к 11е1еНпя ядер, шений в процессе митозов (удвоение хромо" колх1щц.
как это наблюдается при обработке клеток дтка. _ ■ ^1е1кгх ном); 3) кариогамии гаплоидных ядер в В”С"11ЬНО бла- Послсднсе событие детально исследовано экспери.
голаря разработанному Дж. Ропером методу селективного выделения гетерозиготных диплоидов. Для этого собирают конидии с колоний гетерокарионов, полученных как описано выше, отфильтровывают их от обрывков мицелия и высевают на минимальную среду (в случае работы с ауксотрофами) или на среду с двумя ингибиторами роста (при работе с резистентными мутантами). Поскольку конидии монокариотичны, их ростки погибнут на таких средах или дадут очень скудный рост. На этом фоне проростки конидий, имеющих гетерозиготные диплоидные ядра, сформируют крупные темно-зеленые колонии.
Специальные методы выделение диплоидов разработаны Р. Холлидеем для головневых грибов, в жизненном цикле которых гаплоидная стадия облигатно сапротрофна, а в гетерокариотичном (дикариотичном) состоянии грибы могут развиваться только в тканях восприимчивых растений (облигатные паразиты). Однако иногда удается выделить монокариотичные штаммы, которые наряду с хорошим ростом in vitro способны заражать растения. У таких (слабопатогенных) штаммов ядра диплоидны. Для их селективного выделения получают ауксотрофы по разным факторам роста у скрещивающихся изолятов (+ и -), и их смесью заражают растения. Кусочки зараженной ткани помещают на минимальную агаризованную среду. Исходные гаплоиды не могут развиваться на ней, так как они ауксотрофы, дикариотический мицелий образует очень слабый рост, на фоне которого можно выделить хорошо развитые колонии гетерозиготных диплоидов.
Частота диплоидизации (или, правильнее, число диплоидных конидий среди одноядерных гаплоидных) очень низка и колеблется в пределах 10"6— 10'8. Частоту выделения диплоидов можно повысить обработкой парами камфоры или УФ-облучением. Камфора повышает выход диплоидов в 10— 1000 раз, а УФ-лучи — до 105 раз. В обоих случаях это обусловлено как повышением частоты кариогамии, так и селективной (более высокой) гибелью гаплоидных клеток под действием обработок.
Для идентификации выделенных диплоидов можно использовать ряд критериев. Их отличия от исходных гаплоидов следующие. _ • Фенотип. Например, мутанты A. nidulans, имеющие гены w* у, образуют желтые колонии, а гены wy* — белые. Гетерокарионы имеют мозаичную окраску, а гетерозиготные диплоиды (w/w* у/у*) — зеленую. Диплоиды по двум разным ауксотрофным мутациям про- тотрофны и т.д.
Морфология колонии и скорость роста также могут быть отличительными признаками.
Чувствительность к мутагенным факторам — ионизирующему и УФ-облучениям — у диплоидных клеток ниже, чем у гаплоидных, ибо неповрежденные гены компенсируют повреждение их аллелей.
Мутабсльность — частота тем же причинам выше,гап;юилных клеток по
ции которых будут замаскиоовяни идных’ Рецессивные мута-
Для Фитоп^геин"^^”
лоидов может отличаться от гаплоидовкоторая у лип-
ван^ис^ым^”спаривания, - скреши-
жей диплоид о/о
Размер клетки, диаметр конидий диплоидов A. nidulans в 1 77 раз больше, чем гаплоидов, A. nicer— в 1 21 паза бппмпр г. • oxysporum - в 1,23 раза.’ Р 6 ЛЬШе’ Fusanum
Число ядер на клетку: в многоядерных конидиях и вегетативных клетках число диплоидных ядер меньше, чем гаплоидных (сохранение ядерно-плазменных отношений).
Число хромосом. К сожалению, этот, наиболее точный, критерии можно использовать только для мейотических ядер. Мелкие хромосомы и их неупорядочное положение в метафазе митоза не позволяют провести точные подсчеты.
Размер ядер в ряде случаев позволяет судить о плоидности.
Количественное содержание ДНК на ядро. С помощью специфических красителей, связывающихся с ядерным материалом (включая люминисцирующие в УФ-свете), можно проводить цитофотометрию и определять интенсивность окраски.
Необходимо отметить, что какой-либо один критерий не дает уверенности в диплоидности выделенного штамма. Требуется комплексное исследование. Кроме того, все критерии не позволяют отличить диплоид от анеуплоида.
Соматические диплоиды были выделены и из природных популяций некоторых грибов (например, A. niger). У Ustilago maydis 0,25 — 0,4% телиоспор, выделенных из пораженных початков ку- курузы, были слабопатогенными диплоидами. Природный вид Verticillium longisporum с крупными конидиями оказался диплоидным вариантом К albo-atrum.
Генетический и физиологический контроль кариогамии не известен. У базидиомицетов клетки длительное время содержат по два несестринских ядра (гаплоидные гетерокариотические гетерокарионы), и только в определенной стадии жизненного цикла происходит массовое слияние ядер, в то время как в др\ nix стадиях частота кариогамии составляет 1010 . Дж. Реипер и . ол
тин выделили у базидиомицета Schkophyllum commune мутацию dik. которая подавляла стадию дикариона и приводила к слия- нию ядер непосредственно вслед за плазмогамией. Авторьi полагают, что в нормальных ядрах имеются гены. осуществляющие негативный контроль кариогамии. В базидиях эти iгены перестают транскрибироваться и происходит массовая каР' _’ , него опенка Armillaria mellea мутация dik становится нормой.
этому все вегетативные клетки одноядерны, а ядра диплоидны. У чрожжей наоборот, описана мутация karl, при которой ядра в конъюгировавших клетках не сливаются, так что клетки становятся нс диплоидными, а дикариотичными.
Соматическая рекомбинация
Хотя гетерозиготные диплоиды в отличие от гетерокарионов стабильны, из них могут вышепляться сегреганты вследствие пересортировки целых хромосом или митотического кроссинговера. Выделение сегрегантов можно проводить несколькими путями.
. Визуальная селекция. У A. nidulans из зеленых колоний гетерозиготных диплоидов могут выщепляться секторы белого или желтого цвета. Мутанты дрожжей, аксотрофные по аденину, образуют красные секторы в белых колониях гетерозиготного диплоида ad2/ad2
Устойчивость к лекарственным веществам. Если ген устойчивости рецессивен, то гетерозиготный диплоид будет чувствительным и неспособным расти на среде с ингибитором роста, тогда устойчивые сегреганты можно получать автоматически на средах с ингибиторами. У A. nidulans таковы гены устойчивости к акрифлавину и пара-фторфенилаланину. Если устойчивость неполностью доминантна, то устойчивые сегреганты будут расти в присутствии более высокой концентрации ингибитора, чем гетероизготный диплоид, и на таких средах их можно выделять автоматически.
Рецессивная супрессия. Диплоид, гомозиготный по ауксотроф- ной мутации и одновременно гетерозиготный по рецессивному супрессору, не растет на минимальной среде (вследствие ауксо- трофности). Сегреганты, гомозиготные по супрессору, позволят расти на минимальной среде вследствие супрессии ауксотрофности. У A. nidulans на правом плече I хромосомы расположен ген ad20 (потребность в аденине), а на левом — его супрессор — su ad20:
su ad 20
Данный гаплоидный штамм способен расти на среде без аденина.
suad 20
Диплоид не способен расти на среде без аденина, так как локус su находится в гетерозиготном состоя- + ad 20 нии su/su* и маскируется доминантным аллелем.
хромосом при митозе ихромосом при митозе иВыщеплсние сегреынтов происходит вследствие одного из трех событий, гаплоидизации, нерасхождения хромосом при митозе и митотического кроссинговсра.
хромосом при митозе и
хромосом при митозе и
Гаплоидизация
гаплоидными ядрами и, следовательно, результате гаплоидизации возникают двагаплоидными ядрами и, следовательно, результате гаплоидизации возникают двасегрегация признаков. Всегрегация признаков. ВОпределенная доля сегрегантов содержит гаплоидные ядра. Как показала Э.Кэфер, процесс гаплоидизации происходит в течение ряда последовательных митозов через серию ансуплоидов, т.е. постепенной потери одного из наборов хромосом. Причиной ане- уплоидии может быть анафазное отставание отдельных хромосом при движении к полюсам вследствие недостаточного натяжения нитей веретена в средней анафазе. При этом возникают моносо- мики (2л - 1). Анеуплоидное состояние нестабильно, в последующих митозах ядро или восстанавливает диплоидный набор, или продолжает терять хромосомы одного набора, что приводит к гаплоидизации. При этом потери хромосом того или другого партнера происходят случайно, вследствие чего возможны пересортировка хромосом между
гаплоидными ядрами и, следовательно, результате гаплоидизации возникают два
гаплоидными ядрами и, следовательно, результате гаплоидизации возникают два
сегрегация признаков. В
сегрегация признаков. В
Гаплоидные Фенотип сегрс ганты
5 Дичком5 Дичком
5 Дичком
5 Дичком
родительских генотипа и два рекомбинантных, один из которых фенотипически не отличим от исходного диплоида, а второй сегрегирует по двум изучаемым генам (рис. 35).
Таким образом, гаплоидизация приводит к расхождению маркерных генов, находящихся на разных хромосомах. Если изучаемые гены находятся в одной группе сцепления (даже на разных плечах), они не расходятся при гаплоидизации. Гаплоидизацию при генетическом анализе используют для решения двух задач.
Для определения групп сцепления. Например, мы имеем два маркированных родительских штамма Aspergillus nidulans» один из которых характеризуется потребностью в путресеине (ри)» аденине (ad)» фенилаланине (phen)» имеет желтые конидии у и признак sen; другой гаплоидный родитель с зелеными конидиями дикого типа имеет потребность в биотине (Ь) и является прото- трофом по всем остальным маркерам:
у ри ad sen + phenДанный гетерозиготный диплоид, получсн-
7 7 7 7 "ь +ный от двух гаплоидных акусотрофных ро
дителей, — прототроф, так как по всем локусам имеет доминантные аллели +.
Анализ гаплоидных сегрегантов дал следующие генотипы:
л-Сегреганты:
Число штаммов
У
PU
ad
sen
phen
+
7
у — желтые (yellow) конидии
У
PU
ad
+
+
+
11
р — ауксотрофность по путрессину
+
PU
ad
+
+
b
1
ad — ауксотрофность по аденину
У
+
+
sen
phen
+
26
phen — ауксотрофность по фенилаланину
У
+
+
+
+
+
7
b — ауксотрофность по биотину
Всего: 52 сегреганта
Отсюда следует, что:
У ри — находятся на разных хромосомах, так как признаки рекомбинируют (дают различные сочетания);
ри ad — на одной хромосоме, так как между этими локусами нет рекомбинации;
ad sen — на разных хромосомах, так как признаки рекомбинируют (имеем все 4 возможные комбинации этих признаков);
sen phen — имеем только родительские генотипы, значит, локусы находятся на одной хромосоме (не рекомбинируют);
phen b — обнаружены все 4 комбинации, значит, локусы находятся на разных хромосомах;
У b — на одной хромосоме, так как обнаружены только родительские генотипы.
на I хромосомена I хромосомеУУна II хромосоме рина II хромосоме риadadВ результате проведенного анализа комбинации признаков у гаплоидных сегрегантов получаем следующие грунт. еплеиия un I Ynnxtnrrnro ..^PJ4IIOI t-ui пленим.
на I хромосоме
на I хромосоме
У
У
на II хромосоме ри
на II хромосоме ри
ad
ad
на III хромосоме sen phen
Для установления, в какой группе сцепления находится неизвестный локус. Для этого получают гетерозиготный диплоид между штаммом, несущим неизвестную мутацию, и множественно маркированным штаммом, и по расщеплению гаплоидов устанавливают группу сцепления, в которую входит неизвестная мутация.
Поскольку среди сегрегантов наряду с гаплоидными штаммами будут находиться и диплоиды, для отделения гаплоидных сег-
регантов используют один из описанных выше методов, позволяющих отличить гаплоиды от диплоидов. Для грибов, имеющих большое число маркированных мутациями локусов, разработаны приемы автоматического выделения гаплоидов, основанные на отборе по двум несцепленным маркерам. Поскольку митотический кроссинго вер одновременно в двух хромосомах протекает крайне редко, выделенные сегреганты, как правило, гаплоидны. Примером может быть диплоид такого типа:
I хромосомаI хромосомаsu ad + adsu ad + adIV хромосомаIV хромосомаsu — рецессивный супрессор локуса ad, w — white (белые конидии),+ — green (зеленые конидии, нормальный фенотип).su — рецессивный супрессор локуса ad, w — white (белые конидии),+ — green (зеленые конидии, нормальный фенотип).
I хромосома
I хромосома
su ad + ad
su ad + ad
IV хромосома
IV хромосома
su — рецессивный супрессор локуса ad, w — white (белые конидии),
+ — green (зеленые конидии, нормальный фенотип).
su — рецессивный супрессор локуса ad, w — white (белые конидии),
+ — green (зеленые конидии, нормальный фенотип).
+
Данный диплоид имеет зеленые колонии и не способен расти на минимальной среде (потребность в аденине).
Отбор ведут на среде без аденина. Выросшие колонии могут представлять собой рекомбинантные диплоиды (su ad20/su ad2 ) или гаплоиды (su adlQY Но все диплоиды будут зеленого цвета, так как в другой хромосоме имеется доминантный ген ин-, а половина гаплоидов — белые (выщепляется хромосома, несущая мутантный аллель w\ Таким образом, все белые колонии растущие на среде без аденина, имеют гаплоидный набор ХРОЛ^
Частота гаплоидизации достаточна для выделения гаплоид например"л"Лна составляет 10-50% от общего числа сегрегантов. У некоторых грибов она может быть еще^^* ^’
диплоиды Veniclllium dahlioe ««Сильны и
ся вследствие гаплоидизации. У дрожжей . *р ^.н|» не п0. невого гриба Ustilogo maydis, наоборот, гаплоиды вообще не по
ЛУ‘частоту гаплоидизации можно повысить добавлением в среду веществ, связывающихся с белками микротрубочек и наруша
SU+Уad++sul*+adbiУдвоение хромосом перед митозомТрисомик, возникший в результате нерасхождения одной хромосомыПотеря одного гомолога:2/3SU+Уad++sul+adbi1/3SU+ТУad+SU+Уad+SU+Уad++sul*+adbiУдвоение хромосом перед митозомТрисомик, возникший в результате нерасхождения одной хромосомыПотеря одного гомолога:2/3SU+Уad++sul+adbi1/3SU+ТУad+SU+Уad+Гетерозиготный диплоидГетерозиготный диплоидаденину)аденину)попо+ ad+ adadadadad
SU
+У
ad
+
+
sul*+
ad
bi
Удвоение хромосом перед митозом
Трисомик, возникший в результате нерасхождения одной хромосомы
Потеря одного гомолога:
2/3
SU
+У
ad
+
+
sul+
ad
bi
1/3
SU
+ТУ
ad
+
SU
+У
ad
+
SU
+У
ad
+
+
sul*+
ad
bi
Удвоение хромосом перед митозом
Трисомик, возникший в результате нерасхождения одной хромосомы
Потеря одного гомолога:
2/3
SU
+У
ad
+
+
sul+
ad
bi
1/3
SU
+ТУ
ad
+
SU
+У
ad
+
Гетерозиготный диплоид
Гетерозиготный диплоид
аденину)
аденину)
по
по
+ ad
+ ad
ad
ad
ad
ad
юших нормальное функционирование нитей веретена, — парсь фторфенилаланином, фунгицидом беномилом.
Нерасхождение хромосом
Причиной этого события, как и гаплоидизации, являются нарушения в митозе, в результате которых 4 хроматиды не расходятся синхронно по дочерним клеткам. Возникают клетки с 3 и 1 или 4 и 0 хроматидами (2л + 1 — трисомики или 2л + 2 — тетра- сомики). Клетки с недостающим числом хромосом возвращаются, как описаны выше, к гаплоидному состоянию или погибают, а клетки с избытком теряют одну или две хромосомы, возвращаясь к исходной дисомии. Поскольку случайно теряется любая лишняя хроматида, это может привести к рекомбинации генов, как это показано ниже:
Фенотипы * + ad * (зеленые ауксотрофы
+ у ++
(желтыепрототрофы)
Как видно, нерасхождение хромосом, как и гаплоидизация, приводит к пересортировке целых хромосом и указывает на группы сцепления. Отличия между ними заключаются в том, что ядра остаются диплоидными. Поэтому данное явление редко используется в генетическом анализа, ибо отличить диплоидные ссгре- ганты, возникшие вследствие нерасхождения хромосом, от дип- лоидов, возникших вследствие кроссинговера, можно только при наличии множественно маркированных линий грибов. В приведсн- 132
Митотический кроссинговер
—^крР^~- выше, при
IMIMэто на следующем примере:это на следующем примере:Лео “а£°5ЯЩИХСЯ в одной ^Уппе сцепления. ИсследоваХ^ фер и Р. Холлидея позволили сделать следующие заключения- П ст^ГГнитей^ П°Д°бН0 ---ческому пр™ н> стадии 4 нитеи, 2) обмениваются две несестринские нити- 3) в результате обмена возникают реципрокные продукты. Рассмотри
IM
IM
это на следующем примере:
это на следующем примере:
dabсdabсd^S-bc. L4 4J4 4 4-+'4X4 +da 4- 4-+j+ + 4-2.3 4J4 b сТаким образом, еслиdabсdabсd^S-bc. L4 4J4 4 4-+'4X4 +da 4- 4-+j+ + 4-2.3 4J4 b сТаким образом, еслиФенотипыФенотипы
dabсdabс
d^S-bc. L4 4J4 4 4-
+'4X4 +da 4- 4-
+j+ + 4-2.3 4J4 b с
Таким образом, если
dabсdabс
d^S-bc. L4 4J4 4 4-
+'4X4 +da 4- 4-
+j+ + 4-2.3 4J4 b с
Таким образом, если
da b с + + + +1*3 4 + 6 с+ + b с
da + +
+ + 442.4 4- 4- + 4-+4-4-4
рекомбинирующие локусы находятся в ^пс-конфигурации, то: 1) рекомбинируют все маркеры, находящиеся дистальнее точки обмена (между b и с); 2) из 4 возникающих комбинаций генов одна комбинация родительская и три рекомбинантные; 3) по изменениям фенотипов из трех рекомбинантных комбинаций можно обнаружить только одну. Если же рецессивные аллели, находящиеся дистальнее точки обмена, находятся в /ирояс-конфигурации, то можно обнаружить два сегре- ганта с вытопившимися гомозиготными рецессивными аллелями:
ФенотипыФенотипы
1 da b 4- d a b 4- 2 dja b 4- 1.4 4J4 4- с 3 +3ZZ da^c 4 4^4 4- с 2.3 4|4 Ь 4-1 da b 4- d a b 4- 2 dja b 4- 1.4 4J4 4- с 3 +3ZZ da^c 4 4^4 4- с 2.3 4|4 Ь 4-da b 4
1 da b 4- d a b 4- 2 dja b 4- 1.4 4J4 4- с 3 +3ZZ da^c 4 4^4 4- с 2.3 4|4 Ь 4-
1 da b 4- d a b 4- 2 dja b 4- 1.4 4J4 4- с 3 +3ZZ da^c 4 4^4 4- с 2.3 4|4 Ь 4-
4 4 4-4-1.3 4J4 Ь С4 4^4
da 4 с
4 4 4 42.4 4р 4 С4 4 4 С
Для автоматического отбора сегрегантов разной природы специально сконструированы штаммы A. nidulans. Например, на правом плече хромосомы VIII в /я/юяс-положении находятся две мутации, меняющие окраску конидий. JwA (жслтовато-коричне вые конидии) и chaA (травянисто-зеленые): на правом плече хромосомы I — рецессивный супрессор аденинзависимости — suaa- . а на левом плече той же хромосомы имеются два маркера го
мозиготный. по .мутации а^/20, и гетерозиготный, по желтой окраске конидий у:
$и уАad 20е fwA
Хр.1 хр™1 ,
+ т +ad 10+ chaA
При отборе сегрегантов, растущих на среде без аденина (по su), все гаплоиды будут иметь или желто-коричневые, или ярко- зеленые колонии, а диплоиды — или темно-зеленые (окраска дикого типа), возникшие в результате кроссинговера на левом плече хромосомы I между центромерой и локусом su, или желтые, возникшие вследствие нсрасхождения хромосомы I и выхода мутации у в гомозиготное состояние.
Частота митотического кроссинговера невелика. Появление сегрегантов по цветным маркерам у A. nidulans составляет 0,1 —0,3 % в среднем на одно хромосомное плечо (с учетом всех плеч — около 3 %). При сравнении частот мейотической и митотической рекомбинаций у A. nidulans по одним и тем же маркерам число последних оказалось в 1000 раз ниже, чем первых. Однако если сравнить число митозов и мейозов, которые протекают в течение жизненного цикла, то вклад митотической рекомбинации и мейотической окажется сравнимым. У дрожжевых грибов частота митотического кроссинговера выше, чем у мицелиальных (у Schizo- saccharomyces pombe — 1 % от мейотического кроссинговера, у 5. cerevisiae — до 10 %).
В экспериментальных работах частоту митотического кроссинговера можно повысить УФ-облучением. Особенно эффективно облучение прорастающих конидий. Поскольку частота митотического кроссинговера является функцией двух редких явлений — спаривания гомологичных хромосом и обмена их участками, УФ-облучение повышает частоту одного из этих событий или их обоих. Высокий эффект облучения прорастающих конидий обусловлен митозами, сопровождающими рост ростковой трубки.
Митотический кроссинговер является реципрокным событием. Это удобно наблюдать у гриба Verticillium albo-atrum (Hastie, 1967), имеющего определенную специфику конидиеобразования. Его конидионосцы состоят из аксиальных гиф, несущих мутовки фиалид. Каждая фиалида имеет одно ядро, которое подвергается многочисленным митотическим делениям. От фиалиды отпочковываются конидии, в каждую из которых попадает по одному ядру — продукту митоза, в то время как другие ядра остаются в фиалиде и продолжают делиться митотически. Аккуратно взяв мик- роминипулятором цепочку конидий, отходящих от одной фиа- лидной почки, легко определить их генотипы. Если митотический кроссинговер, происходящий в фиалиде, приведет к сегре-
гании изначально гетсрозиготнпт
образованная конидия будет гомози тт.п*’ '° HCMOCPCJK:TB^ все дальнейшие конидии обозз^юти» * ” П° о;шо” ^ми. и готными по другой аллели Пои оНт ССЯ °Т НСС* булут г°мози- та кросснго,.ера они окажут^ ^ю "0"«-
по числу образующихся генотипов среди отдеп "Jx dX° РМ°М’ но выяснить, в каком месте происходит к^ и
тотическии кроссинговер происходит в фиат,идах, то можно об" наружить реципрокные продукты митозов при копидиеобр^
Картирование
Парасексуальный процесс с успехом используют для картирования мутантных локусов. Картирование включает следующие шаги. 1) с помощью гаплоидных сегрегантов устанавливают группы сцепления; 2) порядок расположения маркеров на плече внутри групп определяют с помощью анализа сегрегации в результате митотического кроссинговера; 3) принадлежность разных плеч к одной хромосоме и положение центромеры устанавливают по сочетанию первого и второго методов анализа.
При определении последовательного расположения маркеров на хромосоме надо учитывать, что все маркеры, расположенные дистальнее точки обмена, показывают абсолютное сцепление с селектором, поэтому их последовательность установить невозможно. Все маркеры, расположенные между центромерой и точкой обмена, остаются гетерозиготными и сохраняют дикий фенотип диплоида. Следовательно, картировать можно лишь маркеры, находящиеся между точкой обмена и селектором. В связи с этим к селектору предъявляют два требования: 1) он должен быть удобным для отбора и 2) он должен быть как можно более удален от центромеры. Для определения расположения маркера у выделенных по выбранному селектору сегрегантов проверяют фенотип и сравнивают его с фенотипами исходных штаммов и диплоида. а пример, если у множественного маркированного по одной хромосоме штамма (что устанавливается на основании изучения ran- лоидных сегрегантов), изображенного на схеме, в качестве селектора выбран локус Ь, то мы будем иметь диплоид след>юше фенотипа:
а b с d е+ b с d е
Отсюда можно сделать два вывода: I) локус а Р”с™ ^™e™ независимо сцеплены с се- плече хромосомы; 2) маркеры с, «, «.
лектором, т.е. находятся дистальнее него, так что установить их порядок невозможно.
Необходимость соблюдения данных требований к селектору можно продемонстрировать, рассмотрев следующие ситуации:
a b с d сa b с d сГруппа сцепления локусов на участке хромосомы с центромерой между локусами а и Ь.
a b с d с
a b с d с
Если в качестве селектора выбран локус Ь, то в анализе будет появляться только один класс рекомбинантов:
a bode + b с d е — фенотип рекомбинанта. I X ~
Если селектор находится в положении с, то данный селектор (и все локусы, расположенные дистальнее его) будет выходить в гомозиготу при рекомбинации на двух участках — между центромерой и локусом Ь, а также между локусами b и с; при этом получатся 2 типа рекомбинантов:
d е d еd е d еРекомбинанты.Рекомбинанты.
d е d е
d е d е
Рекомбинанты.
Рекомбинанты.
Если селектором является локус d, то можно получить 3 типа рекомбинантных фенотипов:
а b с d е ТХ X X "а b с d е ТХ X X "+ b с+ + с+ b с+ + сd е d еd е d е+ + + d е,+ + + d е,Селектор может выйти в гомозиготу при рекомбинации на трех участках; при этом возможны 3 типа сегрегантов.Селектор может выйти в гомозиготу при рекомбинации на трех участках; при этом возможны 3 типа сегрегантов.
а b с d е ТХ X X "
а b с d е ТХ X X "
+ b с
+ + с
+ b с
+ + с
d е d е
d е d е
+ + + d е,
+ + + d е,
Селектор может выйти в гомозиготу при рекомбинации на трех участках; при этом возможны 3 типа сегрегантов.
Селектор может выйти в гомозиготу при рекомбинации на трех участках; при этом возможны 3 типа сегрегантов.
Таким образом, если в качестве селектора выбрана мутация локуса с, то ее переход в гомозиготное состояние может быть вызван кроссинговерами между центромерой и геном b (в этом случае фенотип сегрегантов будет + b с d е) или между генами b и с (с фенотипом сегрегантов + + с d е\ На этом основании можно сделать заключение, что локус b ближе к центромере, чем с, а локусы d и е — дистальнее его, и их взаимное расположение установить невозможно. Что касается локусов b и с, то при принятии гипотезы о равновероятной частоте кроссинговера в любой точке по соотношению описанных двух классов сегрегантов можно судить об их относительном расстоянии от центромеры и друг от друга. Если в качестве селектора выбран локус d, то, рассуждая таким же образом, можно сделать заключение об обнаружении трех классов сегрегантов (+ b с d е; + + с d е; + + + d е), установить порядок их расположения на хромосоме (b с d е) и подсчитать относительные расстояния между центромерой и локусами Ь, с, d (расстояние до локуса е, расположенного дистальнее селектора, определить невозможно).
Пример. Было взято 1) su ad^ paba pro2) + ad20 ++Пример. Было взято 1) su ad^ paba pro2) + ad20 ++г т т иа,керы находятся нТодн^Гх^ гаплоидимнии все мар- по да селекторам: тов). У ^желтой окраске сегреган-г т т иа,керы находятся нТодн^Гх^ гаплоидимнии все мар- по да селекторам: тов). У ^желтой окраске сегреган-Отбор по su:Фенотипы:Отбор по su:Фенотипы:ribo ribo an ribo anribo ribo an ribo an(su + +)(su ribo +) (su ribo an) paba pro у bi(su + +)(su ribo +) (su ribo an) paba pro у biРасположение маркеров su,Расположение маркеров su,Число сегрегантов249627Всего: 102Число сегрегантов249627Всего: 102_ .ribo, ап на основании анализа по- казано в скобках. Что касается маркеров paba, pro, у, Ы, то они не могут быть расположены ни дистальнее селектора su (в таком случае они всегда, а не только у семи сегрегантов, переходили бы в гомозиготное состояние), ни проксимальнее него, ибо не расщепляются. Вероятно, они расположены на другом плече хромосомы и стали гомозиготными вследствие нерасхождения при митозе, а не митотического кроссинговера. Для из анализа, следовательно, необходим другой селектор._ .ribo, ап на основании анализа по- казано в скобках. Что касается маркеров paba, pro, у, Ы, то они не могут быть расположены ни дистальнее селектора su (в таком случае они всегда, а не только у семи сегрегантов, переходили бы в гомозиготное состояние), ни проксимальнее него, ибо не расщепляются. Вероятно, они расположены на другом плече хромосомы и стали гомозиготными вследствие нерасхождения при митозе, а не митотического кроссинговера. Для из анализа, следовательно, необходим другой селектор.Отбор по у.Отбор по у.у biу bi pabaу bi paba proу bi paba proу biу bi pabaу bi paba proу bi paba pro(+ + У bi) (+ paba у bi) (propaba у bi) ribo an(+ + У bi) (+ paba у bi) (propaba у bi) ribo an72 5715 372 5715 3
Пример. Было взято 1) su ad^ paba pro
2) + ad20 ++
Пример. Было взято 1) su ad^ paba pro
2) + ad20 ++
г т т иа,
керы находятся нТодн^Гх^ гаплоидимнии все мар- по да селекторам: тов). У ^желтой окраске сегреган-
г т т иа,
керы находятся нТодн^Гх^ гаплоидимнии все мар- по да селекторам: тов). У ^желтой окраске сегреган-
Отбор по su:Фенотипы:
Отбор по su:Фенотипы:
ribo ribo an ribo an
ribo ribo an ribo an
(su + +)
(su ribo +) (su ribo an) paba pro у bi
(su + +)
(su ribo +) (su ribo an) paba pro у bi
Расположение маркеров su,
Расположение маркеров su,
Число сегрегантов24
9
62
7
Всего: 102
Число сегрегантов24
9
62
7
Всего: 102
_ .ribo, ап на основании анализа по- казано в скобках. Что касается маркеров paba, pro, у, Ы, то они не могут быть расположены ни дистальнее селектора su (в таком случае они всегда, а не только у семи сегрегантов, переходили бы в гомозиготное состояние), ни проксимальнее него, ибо не расщепляются. Вероятно, они расположены на другом плече хромосомы и стали гомозиготными вследствие нерасхождения при митозе, а не митотического кроссинговера. Для из анализа, следовательно, необходим другой селектор.
_ .ribo, ап на основании анализа по- казано в скобках. Что касается маркеров paba, pro, у, Ы, то они не могут быть расположены ни дистальнее селектора su (в таком случае они всегда, а не только у семи сегрегантов, переходили бы в гомозиготное состояние), ни проксимальнее него, ибо не расщепляются. Вероятно, они расположены на другом плече хромосомы и стали гомозиготными вследствие нерасхождения при митозе, а не митотического кроссинговера. Для из анализа, следовательно, необходим другой селектор.
Отбор по у.
Отбор по у.
у bi
у bi paba
у bi paba pro
у bi paba pro
у bi
у bi paba
у bi paba pro
у bi paba pro
(+ + У bi) (+ paba у bi) (propaba у bi) ribo an
(+ + У bi) (+ paba у bi) (propaba у bi) ribo an
72 57
15 3
72 57
15 3
два штамма A. nidukms;
ribo an — фенотип гетерозиготно-го диплоида;
Три сегреганта, давшие аномальное расщепление, возникли вследствие нерасхождения хромосом при митозе, остальные — вследствие митотического кроссинговера. Поскольку локус Ы всегда переходит в гомозиготу вместе с локусом у, можно полагать, что он находится дистальнее последнего, поэтому определить его расстояние от центромеры не представляется возможным. Все се- греганты, гомозиготные по pro, гомозиготны и по paba. Следр- вательно, локус pro находится ближе к центромере, чем paba.
Описанным способом устанавливают последовательность маркеров. Расстояние между ними и центромерой обозначают в условных единицах карты. За 100 условных единиц принимают расстояние от центромеры до селектора. Расстояние между генами вычисляют по формуле: Nx \00/Ny, где vV.v число гомозигот по картируемому гену; Му — число гомозигот по гену-селектору
Для расчета расстояния между маркерами в приведенном выше примере от числа гомозигот, полученных по каждому men. не
обходимо отнять гомозиготы, возникшие вследствие нерасхож- дения хромосом. Получим следующую карту:
Левое плечо хромосомы I Центромера Правое плечо .хромосомы I su ribo ап।pro paba у Ы
Из изложенного понятно, почему для обозначения расстояния используются не морганиды, а условные единицы карты. На основании парасексуального анализа остается неизвестной истинная длина хромосомных плеч, так как за 100 единиц берут не все плечо, а лишь расстояние до селектора. Если бы в вышеприведенном примере в качестве селектора правого плеча была выбрана не желтая окраска сегрегантов (у), а отсутствие роста на среде без биотина (А/), то расстояния между локусами получились бы иными. Поэтому расстояния на одной хромосоме или на одном хромосомном плече нельзя сравнивать с другими.
У A. nidulans имеется половой процесс, и доступен анализ при половом расщеплении. При сравнении хромосомных карт этого гриба, построенных с помощью анализа при половом и бесполом расщеплении, оказалось, что число групп сцепления и порядок расположения на них маркерных генов одинаковы, в то время как расстояния между ними различаются.
Таким образом, генетический анализ сегрегации при митозах является важным подспорьем гибридологическому анализу, так как позволяет с помощью относительно небольших выборок сегрегантов получить ценную информацию по наследованию ряда признаков. Особенно важен он для грибов, лишенных полового процесса, но представляющих большое практическое значение (/4. niger, Penicillium chrysogenum и др.). Вместе с тем полный пара- сексуальный процесс, описанный у A. nidulans, протекает не у всех грибов. У Neurospora crassa, Cladosporium lagenarium, P. digitatum не удалось выделить даже гетерозиготные диплоиды, у сахаромицет- ных дрожжей и Ustiiago maydis не образуются гаплоидные сегре- ганты, а у Verticiilium dahliae редок митотический кроссинговер.
ЧАСТЬ II
ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ
Глава 4
БЕСПОЛЫЙ ЦИКЛ
Развитие большинства грибов включает два цикла — бесполый и половой. У одних грибов половой цикл редуцирован (например, отсутствуют гаметы и гаметангии), у других он развивается только при определенных экологических условиях (у некоторых фитопатогенных грибов — при переходе к сапротрофному питанию), у третьих (дейтеромицетов) необратимо утрачен.
У некоторых грибов, наоборот, отсутствует или редуцирован бесполый цикл (высшие базидиомицеты). Начнем рассмотрение генетического контроля развития с' бесполого цикла.
Грибы могут существовать в трех жизненных формах — мицелиальной (большинство таксонов), дрожжеподобной и плазмо- диальной.
У многих видов две первые жизненные формы могут при определенных условиях переходить одна в другую. Плазмодиальная жизненная форма присуща небольшому числу видов хитрил левых грибов и генетически недостаточно исследована. Поэтому остановимся лишь на рассмотрении двух первых.
Генетический контроль дрожжевого роста
Вегетативный цикл дрожжей сахаромицетов включает следующие фазы: митотическое деление ядра, образование почки, миграция дочернего ядра в почку, отделение почки от материнской клетки, увеличение размеров дочерней клетки. Весь цикл продолжается немногим более полутора часов. Поскольку мутации.
подавляющие отдельные этапы клеточного цикла, легальны, гены, контролирующие протекание этих этапов, были исследованы с помощью условно-летальных температурочувствительных (is) мутаций в лаборатории американского генетика Л.Хартвела, получившего за эти работы Нобелевскую премию. Из 1500 исследованных /s-мутантов 148 влияли на протекание клеточного цикла. Они были названы cdc (cell division cy'clc). Каждая мутация пре рывала клеточной цикл в определенной фазе.
Последовательность процессов клеточного цикла изучали с помощью двойных мутантов. Например, если двойной мутант cdc7, cdc4 имеет такой же фенотип, как простой мутант cdc7, то процесс идет от cdc7K cdc4, если же двойной мутант имеет фенотип cdc4, то мутация cdc4 предшествует в цикле мутации cdc7. Таким образом, удалось расположить все мутации на временной карте ядерного цикла протяженностью 100 мин (рис. 36). После этого были клонированы основные гены и исследованы их продукты — белки, регулирующие протекание отдельных этапов клеточного цикла.
Большинство исследованных белков относились к двум функциональным труппам: долгоживущим протеинкиназам и короткоживущим циклимом.
Киназы регулируют экспрессию ядерных генов, но они активны только при соединении с определенными циклинами. Поскольку циклимы нестабильны (например, продолжительность полужизни б/2 никлина CLN2 составляет 8 мин), активность циклиноза- висимых киназ (CDK — cyclin dependent kinases) в продолжении ядерного цикла меняется, т.е. разные этапы цикла регулируются разными киназами.
После отделения почки Сбс28р-киназа обеспечивает увеличение размеров клетки, достигающих максимума во время поздней фазы G|. Эту фазу называют стартом клеточного цикла. В фазу старта индуцируются удвоение полярного тела веретена (ПТВ), почкование, инициация синтеза ДНК и репрессия процессов, обусловливающих половой цикл (слияние клеток). Для активации Cdc28p требуются циклины G-фазы — Clnlp, С1п2р и С1пЗр. На стадии старта экспрессируются и другие гены, в частности ген CDC25, активизирующий аденилциклазу.
В S-фазе образуются циклины группы CLB (Clblp—С1Ь6р), которые в соединении с Сбс28р-киназой обеспечивают репликацию ДНК на стадии Gb а также конденсацию хромосом и митоз в стадии Gj. Оперирующие на стадии S другие белки представляют собой тимидилаткиназу (Cdc8), они обеспечивают репарацию ДНК (Cdc4).
Для протекания митоза важную роль играют продукты генов CDC14\\ CDC15 или TUB1 и TUB2, которые контролируют синтез белка микротрубочек веретена — тубулина. При их повреждении образуются клетки с крупными безъядерными почками.
При почковании наблюдается экспрессия генов CDC24, CDC42 и др. Их продукты локализуются на мембране, обеспечивают транспорт Са2* к мембране, обозначая место возникновения почки.
Продукт гена NUM1 контролирует движения материнского ядра в место соединения материнской клетки и почки; мутанты по этому гену имеют двухъядерные материнские клетки и безъядерные
Рис. 36. Клеточный цикл Saccharomyces cerevisiae: о — этапы клеточного цикла; 6 — гены, контролирующие прохождение отдельных этапов; SPB — полярное тело веретена; PD — дупликация SPB; BE — появление почки; PS — разделение SPB; NM — миграция ядер; SE — растяжение веретена; niND — начало деления ядра; LND — окончание деления ядра; СК — Цитокинез; CS — разделение клеток; М, S. Gb G; — фазы клеточного цикла.
Цифры на рис. б обозначают номера cdc-мутаций
Таблица 10. Макромолекулы клеточной стенки Saccharomyces cerevisiae (М. Klis ct al., 2002)
Макромолекулы
% сухого веса стенки
Степень полимеризации
Разветвленность молекулы
Маннаиопротсины
35-40
200
Высокая
01,6-глюкан
5-10
140
Высокая
01,3-глюкан
50-55
1500
Умеренная
Хитин
1-2
190
Линейные молекулы
почки. Наконец, гены CDC36, CDC10, CDC11, CDC12 необходимы для протекания цитокинеза и формирования септы. Некоторые их продукты представляют собой белки — филаменты.
В процессе отделения почки большое значение имеет синтез хитина, который катализирует фермент хитинсинтетаза, соединяющий отдельные мономеры в линейную цепочку хитина по схеме:
п ЦДФ-Х-ацстилглюкозамин ->
-> л ЦДФ + {Р( 1 -4) N-ацстил глюкозам и н}„.
Хитин — минорный компонент клеточной стенки дрожжей- сахаромицетов (табл. 10). Небольшое его количество (1 — 2% от веса стенки) равномерно распределенное в оболочке, важно для ее интеграции.
Однако при почковании образуется хитиновое кольцо, опоясывающее почку. После формирования почки между ней и материнской клеткой с помощью хитинсинтетазы откладывается хитиновая пластинка, которая при разделении клеток расщепляется другим ферментом — хитиназой.
Секвенирование генов хитинсинтетазы у грибов, относящихся к разных таксонам, позволило выделить несколько классов этого фермента.
В геноме дрожжей найдены гены хитинсинтетазы, относящиеся к разным классам (главным образом, к классу III) и выполняющие различные функции. Мутационный и делеционный анализы показали, что продукт гена CHS1 катализируют образование минорного хитина в оболочке вегетативных клеток и защиту от находящейся в периплазме эндохитиназы (она разрушает хитин в септе между материнской и дочерней клетками), а продукт гена CHS2 — образование хитиновой пластинки при почковании. Наиболее важна хитинсинтетаза CSH3, ответственная за синтез более 90% хитина в стенке. Мутации гена CHS3 делают клетки осмотически чувствительными, меняют их морфологию, агрегацию и подавляют способность клеток к удлинению под действием половых феромонов.
Генетический контроль мицелиального роста
У бОЛЬШИНСТВа МИЦСЛИалЬНЫ* гпи^лп
лен тремя фазами: прорастание сноп ®есполый UHIC1 прсдстав- лия, спороношение.^' гета^ивный рост мице-
Прорастание спор
В конидиях клеточный цикл ингибирован на стадии G. Пои прорастании арест клеточного цикла прекращается и начинаются внутриклеточные процессы: набухание (гидратация) конидии, синтезы РНК и белка, активация энергии для синтеза клеточной стенки, деление ядер, образование и удлинение ростковой трубки. Перед первым клеточным делением происходят три ядерных деления (образуется 8 ядер). Образование септы инициируется после того, как длина ростка превысит три диаметра споры. Перед образованием септы откладывается актиновое кольцо, указывающее на место ее формирования. Исследование генетичес
кого контроля этих процессов возможно лишь с помощью условно-летальных температурочувствительных мутаций. Среди большого числа /5 sep (separate defective) мутаций /1. nidulans «ранние» (sep В, Е, /, J) влияют на образование первой перегородки, в частности, ген sep В кодирует белок, требующийся для расхождения хромосом в митозе; «поздние» (sep A, D, G, Н) регулируют более
поздние этапы образования перегородок в гифах. Мутанты ts по
этим генам образуют при рестриктивных температурах несептированные, обильно дихотомически ветвящиеся гифы.
Удобной моделью для изучения процессов, связанных с формированием септы у грибов, являются делящиеся дрожжи
Schizosaccharomyces pombe. У них образуется только одна септа, формирование которой сопряжено с окончанием митоза. В интерфазе частицы F-актина сконцентрированы на полюсах клетки вследствие полярного роста. В начале митоза они перемещаются в центр, образуя актиновое кольцо, которое наряду с актином содержит миозин и другие белки (формин, Cdcl2p, CdcSp, Cdcl5p и др.). Вслед за распадом митотического веретена актиномиозиновое кольцо во взаимодействии с новой мембраной начинает сжиматься одновременно с центри летальным отложением полисахаридного материала новой септы а-1,3-глюканом, р- , глю каком, р-1,6-глюканом, а-галактоманнаном. Регуляция процессов образования септы осуществляется белками, локализованными в области SPB. Эти белки образуют каскад трансдукции сигнала, известный как SIN (septation initiation network) М^нты no контролирующим их генам формируют длинные, х_
ныс, быстро лизирующиеся клетки. Начальный белок каскада
ГТФаза Spglp. Активированный ГТФ (Spglp-ГТФ), этот белок через серию протеинкиназ передаст сигнал на ген CPS1, контролирующий синтез р-1,3-глюкансинтетазы — фермента, необходимого для построения первичной септы. Негативная рефляция SIN-каскада осуществляется двухкомпонентным комплексом Cdc 16р/В>т4р, который переводит ГТФазу Spglp из активного состояния Spglp-ГТФ в пассивное — Spglp-ГДФ. Мутации в генах cdc 16 и Ьуг4 вызывают неконтролируемые процессы формирования септ, независимые от стадии клеточного цикла.
Вегетативный рост колонии
У мицелиальных грибов форма колонии определяется такими показателями, как линейная скорость роста, частота ветвления и угол отхождения ветвей, соотношение между субстратным и воздушным мицслиями и т.п. На скорость роста и морфологию колонии могут оказывать влияние как внешние условия, так и ядер- ный статус изучаемого штамма гриба. Например, у базидиомице- тов гомо- и гетерокариотические колонии (первичный и вторичный мицелий) отличаются многими морфометрическими показателями (табл. 11).
Получено большое число морфологических мутаций, носители которых имеют те или иные культурально-морфологические отклонения от нормального для данного штамма роста колоний. Такие мутации Neurospora crassa были детально исследованы в лаборатории известного американского генетика Э. Тейтума. Их классификация приведена в табл. 12.
Как видно, мутанты, помещенные во вторую и третью строки, отличаются от дикого типа главным образом скоростью роста (они формируют компактные колонии разных размеров — от очень маленьких до медленно распространяющихся), а у мутан
та б л и ц а 11. Средние морфометрические показатели вегетативного роста семи гомо- и гетерокариотических штаммов культивируемого шампиньона Agaricus bisporus (О. В. Камзолкина, 1996)
Штаммы
Скорость роста, мм/сут
Частота ветвления (расстояние от апекса до 3-го ветвления, мкм)
Угол бокового ветвления, град
Толщина гифы, мкм
Толщина клеточной стенки, нм
Гомока- риотичныс
0,74
396
45
1,17
80
Гетерока- ристичные
1,00
449
34
1,44
55
Тип роста
'’ u И J М С11 с Н И Я М И)
нс зависят от условий роста
ывисят от условии роста
Нормальный
Path — нормальный рост в присутствии сорбозы True colonial — col-1, 2..., button
Дикий ТИП (н7)
Ограниченный
Дикий тип в присутствии сорбозы
Ограниченный вначале, переходит в нормальный
Spreading colonial — spco 1, 2
Scmicolonial — smeo-, нормальный рост зависит от влажности и содержания СО,
Кул ьтурал ьно- мор- фологичсскис различия при сохранении неограниченного роста
spreading morphological — скудный рост, тонкие гифы, отсутствие конидий;
смешанный тип (frost, ragged, ballon и др.)
Morphological enviro- mcntally influence — moe; морфология колонии зависит от условий роста
Таблица 12.
мутанты Neuros
тов из 4-й строки наблюдаются не количественные, а качественные отличия от дикого типа.
Биохимическое изучение показало, что все исследованные мутанты имеют изменения в строении клеточной стенки. У аско- и базидиомицетов клеточная стенка включает следующие компоненты (от мембраны наружу): хитин, пептиды и глюкан. Последний состоит из трех фракций — пептидоглюкан (фракция I), из которого состоят внешние фибриллы наружного слоя стенки, средний аморфный слой (фракция II) и р-1,3-глюкан (фракция III) — внутренние фибриллы наружного слоя.
К настоящему времени исследовано около 1000 морфологических мутантов N. crassa, генетические повреждения которых влияют на ряд биохимических факторов, играющих роль при синтезе клеточной стенки: 1) регуляторы актина и микротрубочек шь тоскелета; 2) протеинкиназы и другие компоненты сигнальной системы; 3) компоненты секреторных механизмов; 4) ферменты, участвующие в формировании клеточной стенки; 5) ферменты, участвующие в биосинтезе мембран. У большинства мутантов нарушена структура компонентов клеточной стенки.
Хитин. У N. crassa обнаружено несколько генов хитинсинте- тазы. При инактивации гена chsl возникают медленно растущие, морфологически уродливые гифы, но септы и конидии образуются нормально. Мутанты по гену chs3 детальны и могут сохраняться только в гетерокарионе с ядрами дикого типа. Повреж
145
пение генов chs2 и ch$4 не сказываются на морфологии. Из пяти генов хитинсинтстазы Aspergillus nidulans только у двух обнаружен фенотипический эффект мутаций: повреждение гена chsB (класс III хитинсинтетаз) вызывает замедленный рост, а синтетаза csmA (класс V), имеющая домен моторного белка миозина, необходима для поляризации синтеза клеточной стенки: повреждение гена вызывает внутри гифальный рост новых гиф.
Пептиды. У многих со/-мугантов обнаружено снижение содержания пептидов; особенно резко падало содержание в них аспарагина и глютаминовой кислоты.
Глюканы. У многих морфологических мутантов наблюдается или повышение фракции I, или снижение фракции III. В стенке мутанта si (сферопласт) вообще содержится только хитин, клетки теряют жесткость, ригидность и ведут себя, как после обработки улиточным ферментом (имеют вид сферопластов). Изменения в содержании глюканов (а также, маннанов) обусловлены изменениями в составе и активности ферментов, регулирующих их синтез. Эти изменения можно свести к следующим пунктам.
Дефект в синтезе ферментов, прямо или косвенно участвующих в биосинтезе глюканов. Например, у мутанта N. crassa ragget подавлен биосинтез фосфоглюкомонофосфатазы (ФГМ) — фермента, катализирующего реакцию в точке разветвления катаболизма и анаболизма углеводов:
ФГМ
Глюкозо-1-фосфат Уридилдифосфоглюконат —- Глюкан
Глюкозо-6-фосфат
Гликолиз
Поэтому у мутанта ragget очень низкое содержание р-1,3-глю- кана в стенке.
Дефект в синтезе или ингибирование активности ферментов биосинтеза клеточной стенки. У мутанта smco-9 инактивирован фермент ветвления (branching enzyme) — а'-1,4-глюкан: а- 1,4-глюкан-6-глюкозилтрансфераза, катализирующие образование а-1,4 связей при биосинтезе полисахаридов. Из мутантного штамма выделен термостабильный ингибитор этого фермента — белок с молекулярной массой 100 кДа. У колониальных температурочувствительных мутантов (cot) формируются компактные колонии с сильно ветвящимися гифами. Такой фенотип обусловлен дефектом в синтезе маннозилтрансферазы. Мутанты содержат в стенке лишь половинное количество маннозы и галактозы и теряют способность к анастомозам.
У м<*логнчссмхИм™'^«"Р*»™»
Фермаст
Штамм
14//)
Активность, уел. сд.
3,3 0,0
1 люкоциклоальдолаза (НАД+-зависимая)
Дикий тип Inos
1 люкозоизомсраза
Дикий тип Gpi-1
3,8 00
Аденилциклаза
Дикий тип сг-1
40,0
1,3
Ферменты, автолизирующие клеточную стенку
Дикий тип Asp-1 Asp-1 Дикий тип Spco-/
27,9 5,5 10,8 100 600
Галактокиназа
Дикий тип Gal-2
1.2 0,54
^-глютамин-5-фруктозо-6-фосфатамидо- трансфсраза
Дикий тип Рсас-2 Clock
0,58
1,01 0.93
Перепродукция ферментов, вызывающих автолиз клеточной стенки. Изменение формы колоний часто связано с более интенсивным ветвлением мицелия. Мутации, оказывающие подобное воздействие, содержат больше ферментов, лизирующих углеводы клеточной стенки. Например, мутация spco-1 вызывает сильное ветвление мицелия и высокую активность глюканазы и протеазы. Сходный эффект можно наблюдать при обработке нормальных штаммов улиточным ферментом, который расщепляет полисахариды.
Изменение в содержании цАМФ — универсального гормона, регулирующего уровень углеводов в клетке. У мутанта сг-1 сильно понижена активность фермента аденилциклазы.
Сводные данные по изменению активности ферментов углеводного метаболизма у морфологических мутантов N. crassa приведены в табл. 13.
Спорообразование
Проблема генетического контроля споруляции привлекает к себе большое внимание вследствие общего интереса к проблемам онтогенеза и, в частности, морфогенеза. Исследования этих процессов прошли три этапа: получение и классификация мх < -
147
ими; генетический анализ методами классической генетики; анализ кодирующих макромолекул методами молекулярной генетики. Рассмотрим некоторые примеры подобных исследований у грибов из разных таксонов.
Зигомицеты
У Phycomyces blakesleanum выделены следующие стадии спорогенеза: 1) удлинение апекса спорангиеносца с одновременным его вращением по часовой стрелке; 2) остановка роста и вращения, формирование спорангия; 3) слабое удлинение субспоран- гиальной зоны со слабым вращением против часовой стрелки; 4) резкое удлинение спорангиеносца (со скоростью до 3 мм/ч) с вращением по часовой стрелке. Получены мутанты, у которых в фазе 4 вместо быстрого вытягивания происходит расширение субапикальной зоны спорангиеносца с качанием против часовой стрелки (рис. 37). Спорангиеносный аппарат мутантов похож на аппарат грибов из рода Pilobolus, поэтому мутация получила название pH Она указывает на место переключения двух программ реализации морфогенеза стилоспорангиев: мукороидной — с удлинением субспорангиальной зоны и пилоболоидной — с ее расширением.
а
б
Рис. 37. Спорангиеносец пилоболоидного (р//) мутанта Phycomyces blakesleeanus (К.Koga cl al. 1980):
° — ска,*ируюшая электронная микроскопия мутанта; б — диаграмма развития мутантного спорангиеносца (показаны стадии роста). Видно, что на последней стадии роста (IV) вместо удлинения верхушки спорангиеносца происходит его расширение
Аскомицеты
Сумчатые и несовершенные грибы имеют конидиогенсза: таллический — бД Т я а 0СН0П||ых типа клеток и бластический — конидиогснД^^11”11 конидиогснных ют, давая многочисленные конидии ^'с™" пг>олиФсриру-
Таллические конидии
Таллоконидии присуши Neurospora crassa. Конидиогенез этого гриба включает следующие этапы:
формирование воздушных гиф (аэрогенез) - удлинение гиф - формирование конидиеносцсв - миграция ядер в кончик кони- диеносца — формирование перетяжки — увеличение размера кончика гифы (проконидии) — формирование септы — формирование артроконидии — отделение артроконидии.
Параллельно с этими процессами ядра мигрируют в субкони- диальную часть конидиеносца, которая претерпевает такие же превращения. Так формируется легко распадающаяся цепочка конидий.
Получена серия мутаций, выключающих отдельные этапы ко- нидиогенеза:
sc (scumbo) — медленный рост, не формируются воздушные гифы;
ept {carpet) — короткие воздушные гифы, нет конидий;
асоп-2, асоп-3 (aconidiate) — нет миграции ядер, не формиру
ется перетяжка;
JI (fluffy) — не утолщается кончик конидиеносца (нет проко
нидии);
csp-L csp-2 (conidia! separation) — цепочка конидий не разделя
ется.
Две последние мутации обусловлены потерей активности автолитических ферментов, растворяющих септы (их активность составляет 20—30 % к штаммам дикого типа). Эти мутации локализованы на хромосомах II и VII, являются рецессивными и комп-
лементируют в гетерокарионе.
Наступление конидиогенсза можно индуцировать )слов роста (голоданием, повышением концентрации :)•' •
ловиях гибридизацией с мРНК неспорулируюшеикультыы- делена фазоспецифичная мРНК и клонирована комплементарная СЙ P^/MV V) отвечает за переключение программы развития с мирного роста на формирование —ен™b^ookFL имеет массу 88 кДа и содержит обычный ллягрнон * ре^ ^ ных белков мотив связывания с ДНК (Zn.c. - К
Таблица 14. Гены vV.crassa, ответственные за конидиогенез (A. Roberts, C.Yanofski, 1989)
1Показатель
Клонированные гены
соп -6
соп-8
соп-10
соп-11
соп-13
Размер, тыс. н. п.
0,66
1,25
0,66
1,35
1,75
Время накопления мРН после индукции конидиоге- нсза, ч
0-2
2-4
4-8
4-8
4-8
Гибридизация с мРН дикий тип, мицелий дикий тип, конидии csp-1 csp-2 Л асоп-3 асоп-2
++
++
++
+
++
гулятором транскрипции. Его мишень — промоторная область гена eas (ccg-2), кодирующего гидрофобный морфогенетический белок гидрофобии.
Характеристика серии генов N. crassa, ответственных за конидиогенез у N. crassa, представлена в табл. 14.
асоп-2 асоп-3асоп-2 асоп-3csp-1 csp-2csp-1 csp-2Таким образом, гены, ответственные за разные этапы кони- диогенеза, не гибридизируются с мРНК мицелиальной культуры (не экспрессируются в ее ядрах), но гибридизируются с спору- лирующей культурой. Матричная РНК мутантов, у которых конидиогенез прерван на ранних этапах (/7, асоп), гибридизируется лишь с генами, экспрессируемыми первыми (con-6, con-S). Очередность включения (и выключения) генов конидиогенеза у N. crassa следующая:
асоп-2 асоп-3
асоп-2 асоп-3
csp-1 csp-2
csp-1 csp-2
соп-1
con-2
con-3 j
Область con-8 включает 2 экзона и 3 интрона. 150
Бластические конидии
Более сложные процессы протекают при формировании бча- стоконидий. Генетическая регуляция их морфогенеза исследована у гриба Aspergillus nidulans. Его морфогенез начинается с формирования вертикально отходящих от погруженного в субстрат мицелия крупных многоядерных клеток-ножек. Верхушка клетки расширяется в пузырек (везикулу), в которой концентрируются ядра. В результате почкования на поверхности пузырька формируется слой одноядерных клеток — первичных стеригм, или метул. Почкование метул дает начало также одноядерным вторичным стеригмам — фиалидам. Последние, подобно стволовым клеткам, пролиферируют, давая клоны одноядерных спор (рис. 38). После каждого митоза ядро входит в кончик фиалиды, после чего ядер- ные деления прекращаются на стадии Go, и ядро начинает управлять синтезом клеточной оболочки конидии. После следующего митоза в фиалиде формируется новая конидия, которая отодвигает предыдущую. Образуется базипетальная цепочка спор, в которой самая старая (и самая крупная) — базальная.
Геныокраски,ivoAapsA1фомс
stuA ivoB brlA medA apsB abaA wetA yA yA
Конидии
Фиалиды
Метулы
Везикула
Конидиеносец
Мицелий
stuA ivoA brlA medA ap$A abaA wetA Гены yA ivoBapsBокраски,
кроме
yA
Рис. 38. Структура конидиалыюго аппарата Aspergillus Mians
кирования конидиогснсза разными сол-мутациями (S. D. Martinelli, 19 9)
Параллельно с морофогенезом протекает пигментация. Она обусловлена тем, что, в отличие от погруженных в субстрат гиф, конидиогенный аппарат находится на поверхности и должен обеспечить защиту ядер от ультрафиолетовых лучей. В стенке кониди- еносна откладывается меланиноподобный серо-коричневый пигмент, образующийся вследствие окисления предшественника специфической фенолоксидазой — крезолазой. Накопление кре- золазы совпадает по времени с формированием конидиогенных структур. В оболочке конидий откладывается темно-зеленый пигмент, образующийся в результате окисления желтого предшественника лоро-дифснолоксидазой (лакказой). Ее синтез начинается позднее, чем крезолазы, уже во внутренних слоях оболочки фиа- лиды, и совпадает со временем формирований конидий.
Систематическое изучение конидиальных мутаций начал в 60-х годах XX в. А. Клаттербэк, который разделил их на стратегические и тактические (вспомогательные — ауксилярные). Первые подавляют конидиогенез или изменяют время его наступления, вторые прерывают на какой-либо фазе.
Пример стратегических мутаций, вызывающих фенотип fluffy, — недифференцированные массы вегетативных гиф, образующие ватообразные колонии.
Примеры тактических мутаций (рис. 39):
bristleA — нс образуется пузырек, конидиеносцы имеют вид стерильных нитей;
abacus — многократно пролиферирующие стеригмы (фи- алиды), конидии не формируются;
medusa — пролиферирующие фиалиды с массой нежизнеспособных спор;
stunted (stuA) — короткие конидиеносцы с тонкой стенкой (вследствие низкой продукции глюканов);
aps (anuclear primary sterigmas) — ядра не мигрируют в метулы;
wet-white — непигментированные конидиеносцы, автолиз конидий во время созревания (споры образуют желеподоб- ную массу) вследствие перепродукции автолитических ферментов;
w/1 (whiteА) — нет пигментации конидий, образуются бесцветные, нормально прорастающие, конидии;
уА (yedowA) — не синтезируется лакказа, конидии желтого цвета.
Сравнив частоту мутаций по конидиогенезу с частотой по некоторым фенотипическим признакам, управляемым известным числом генов, А. Клаттербэк сделал заключение о том, что конидиогенез управляется 45—150 локусами.
Поскольку, в отличие от мицелия, конидии формируются на поверхности субстрата, конидиогенез индуцируется аэрацией и 152
Конидисноссц
ар$А6
Клетка- ножка
Конидия Фиалида Мстула — Везикула
Цепочки клеток формирующих структуры, похожие на счеты (abacus)
Фиалида Метула
Молодой конидисноссц дикого типа
Щетинка?J
Мстула?
Цепочки метул
Молодой конидисноссц medA27
abaAl
Мстула?
Везикула?
ЬНЛ4
Конидиальная масса
Щетинка—
Цепочки метул
Зрелый конидисноссц medA26
Конидии
stuAl
Цепочки метул
ЬНА42
Вторичный конидисноссц
Вторичная везикула
Цепочки метул
ЬНА1
Рис. 39. Влияние разных сол-мугаций Aspergillus nidilans на морфологиюконидисносцсв и конидий (S. D. Martinelli, 1979)
светом (лабораторные штаммы имеют мутацию в регуляторном гене vel и не реагируют на освещение). Переход от вегетативного роста к конидиеобразованию можно, следовательно, индуцировать аэрацией. Из конидиеносной культуры была выделена фракция мРНК и синтезирована комплементарная ей кДНК. Молеку- лярная гибридизация с мРНК, выделенной из неспороносящего мицелия, позволила провести отбор фракций, специфичных для конидиогенеза. Во всех стадиях жизненного цикла A. nidulans образуется около 6000 молекул мРНК, из них 1200 молекул специ-
финны для конидиогенсза, 1000 генов управляют морфогенезом конидиогенного аппарата (их мРНК отсутствует в вегетативном мицелии и зрелых конидиях), 200 генов специфичны для зрелых конидий и, по-видимому, связаны с процессами дифференцировки и прорастания спор. По крайней мере, один из таких spo V sporulation)-генов (spo-28) гибридизируется с мРНК, выделенной из аскоспор, т.е. специфичен для двух фаз — бесполой и половой. Это подтверждает более ранние наблюдения о том, что некоторые кон ид иоген ные мутации (medA-15, stuA-1) подавляют образование клейстотециев. Из клонированной в фаге X 5^о-ДНК выделены фазоспецифические клоны. Например, мРНК конидио- генной культуры у мутанта уА (желтые конидии) гибридизируют с кДНК дикого типа. Клон, не гибридизирующийся с мутантной РНК, имел ген, который у мутанта дефектен (УА). Таким же образом выделены гены МА (отсутствуют у мутанта bristle), abaA (нет у мутанта abacus), WETA (нет у wet-white) и др.
brlA кодирует белок, состоящий из 432 аминокислот. Конъюгация мРНК с р-галактозидазным геном кишечной палочки (GUS) позволило гистохимически определить, что экспрессия brlA начинается в везикуле и продолжается в метулах, фи ал идах и созревающих спорах. Продукт brlA — позитивный регулятор регуляторных генов abaA, wetA и структурных генов ivoA, уА и др.
abaA кодирует белок, состоящий из 796 аминокислот. Регулирует экспрессию brlA и wetA. Регуляция первого осуществляется по принципу обратной связи (перепродукция abaA подавляет транскрипцию brlA).
wetA кодирует белок, состоящий из 529 аминокислот, который аккумулируется в фиалидах и зрелых конидиях. Регулируется продуктом abaA и сам регулирует экспрессию структурных генов.
ар$Д кодирует белок размером 183 кДа, имеющий сходство с белком NUMlp Saccharomyces cerevisiae, необходимым для миграции ядра в почку.
Интересна регуляторная роль продукта гена medA, экспрессия которого индуцируется белком АВАА, и который, в свою очередь соединяясь с белком BRLA, индуцирует аваА.
Общая схема регуляции конечных этапов конидиогенсза:
wA уАwA уАИндукция сигналаИндукция сигнала
wA уА
wA уА
Индукция сигнала
Индукция сигнала
Однако большая часть генов, регулирующих спорогенез экспрессируются в мицелии и конидиеносцах еще до образования везикулы, т.е. до начала транскрипции brIA.
Мутации по шести таким генам (JluG./lbA./lbB^bCPdD ЛЬЕ) приводили к возникновению фенотипа fluffy и подавляли экспрессию ЬНА.
Ген fluG гомологичен бактериальному гену глютаминсинтета- зы I. Он участвует в синтезе внеклеточного фактора, который, соединяясь с рецептором на поверхности клеток, индуцирует активность продуктов генов flbA, flbB, flbC и flbD. Три последних, будучи факторами регуляции транскрипции, активизируют экспрессию гена ЬНА. Ген flbA репрессирует еше один ген, связанный с фенотипом fluffy, — FadA (fluffy autolysis domunant A). Этот ген контролирует синтез а-субъединицы в гетеротримерном сигнальном G-белке. Его инактивация снижает ГТФазную активность белка и поворачивает внутриклеточный сигнальный путь с пролиферации вегетативных гиф на споруляцию. Общая схема регуляторной активности fluffy-генов показана на рис. 40.
Азотный стрессАзотный стрессУглеродный стрессУглеродный стрессРис. 40. Модель регуляции двух антагонистических сигнальных систем Aspergillus nidulans — мицелиального роста и конидиогенезд (Т. N. Adams ct al., I99S).Для индукции споруляции необходимо наличие активного продукта генами G. выполняющего роль внеклеточного сигнала для активации TCHObflbB./lbCjlbDn flbF. Сигнальная молекула flu С также через белок FlbA инактивирует FadA. продукт которого, активатор ГТФазы, является эффектором пролиферации гиф и репрессором конидиогенсза. и кластер генов ST, необходимых дтя синтеза вторичного метаболита стсригматоцистина — предшественника афлатоксина. Инактивация FadA обеспечивает споруляцию и синтез вторичных метаболитовРис. 40. Модель регуляции двух антагонистических сигнальных систем Aspergillus nidulans — мицелиального роста и конидиогенезд (Т. N. Adams ct al., I99S).Для индукции споруляции необходимо наличие активного продукта генами G. выполняющего роль внеклеточного сигнала для активации TCHObflbB./lbCjlbDn flbF. Сигнальная молекула flu С также через белок FlbA инактивирует FadA. продукт которого, активатор ГТФазы, является эффектором пролиферации гиф и репрессором конидиогенсза. и кластер генов ST, необходимых дтя синтеза вторичного метаболита стсригматоцистина — предшественника афлатоксина. Инактивация FadA обеспечивает споруляцию и синтез вторичных метаболитов
Азотный стресс
Азотный стресс
Углеродный стресс
Углеродный стресс
Рис. 40. Модель регуляции двух антагонистических сигнальных систем Aspergillus nidulans — мицелиального роста и конидиогенезд (Т. N. Adams ct al., I99S).
Для индукции споруляции необходимо наличие активного продукта генами G. выполняющего роль внеклеточного сигнала для активации TCHObflbB./lbCjlbDn flbF. Сигнальная молекула flu С также через белок FlbA инактивирует FadA. продукт которого, активатор ГТФазы, является эффектором пролиферации гиф и репрессором конидиогенсза. и кластер генов ST, необходимых дтя синтеза вторичного метаболита стсригматоцистина — предшественника афлатоксина. Инактивация FadA обеспечивает споруляцию и синтез вторичных метаболитов
Рис. 40. Модель регуляции двух антагонистических сигнальных систем Aspergillus nidulans — мицелиального роста и конидиогенезд (Т. N. Adams ct al., I99S).
Для индукции споруляции необходимо наличие активного продукта генами G. выполняющего роль внеклеточного сигнала для активации TCHObflbB./lbCjlbDn flbF. Сигнальная молекула flu С также через белок FlbA инактивирует FadA. продукт которого, активатор ГТФазы, является эффектором пролиферации гиф и репрессором конидиогенсза. и кластер генов ST, необходимых дтя синтеза вторичного метаболита стсригматоцистина — предшественника афлатоксина. Инактивация FadA обеспечивает споруляцию и синтез вторичных метаболитов
Рис. 41. Структура фактора psi Aspergillus nidulans (внизу) и его лактона (вверху) (P.S. Dyer ct al., 1992).Стрелки показывают процесс конверсии ря-фактораРис. 41. Структура фактора psi Aspergillus nidulans (внизу) и его лактона (вверху) (P.S. Dyer ct al., 1992).Стрелки показывают процесс конверсии ря-фактораДругая группа регуляторных генов — пеон А, В и С (отсугству- ют конидиальные структуры). Их продукты осуществляют конверсию так называемого psi- фактора (precocious sexual inducer) — С18 оксижирной кислоты в его лактон (рис. 41). Фактор psi ингибирует конидиоге- нез, стимулируя развитие полового морфогенеза, а его лактон не активен. Синтез репрессора ранних шагов конидиеобразо- вания контролирует ген velA. В штаммах дикого типа (velAV) для кондиеобразования требует
Рис. 41. Структура фактора psi Aspergillus nidulans (внизу) и его лактона (вверху) (P.S. Dyer ct al., 1992).
Стрелки показывают процесс конверсии ря-фактора
Рис. 41. Структура фактора psi Aspergillus nidulans (внизу) и его лактона (вверху) (P.S. Dyer ct al., 1992).
Стрелки показывают процесс конверсии ря-фактора
ся освещение (в темноте они аконидиальны).
Гены, специфичные для конидиогенеза, собраны в нескольких кластерах. Самый крупный SPOC1 (37 тыс. н.п.) содержит 14
транскриптов и терминирован прямыми повторами, не встречающимися больше в геноме. Все гены этого кластера, за исключением одного (L8B), транскрибируются в зрелых спорах и составляют 11 % от общей мРНК спор.
Клонированные гены конидиогенеза были использованы для таксономических исследований представителей рода Aspergillus. В частности, изучали области гомологии SPOC1, BRLA и TUBC (ген, контролирующий продукцию белка микротрубочек тубулина и экспрессирующийся только при конидиогенезе) у пяти видов рода. Ген TUBC показал высокую гомологию у всех пяти видов, т.е. он высококонсервативен. В отличие от него гены конидиеоб- разования A. nidulans имели наивысшую степень гомологии с генами A. terreus, меньшую — с генами A.fumigatus, и очень низкую — с A. niger, A. ochraceus и A.flavus. Степень сходства генов МА коррелирует с длиной конидиеносцев исследованных видов: A. nidulans — 75—100 мкм, A. terreus — 100 — 250 мкм, A.fumigatus — менее 300, A. niger — 200-400, A.flavus — 400-1000, A. ochraceus — 1000 — 1500 мкм. Поскольку ген BRLA управляет начальными этапами формирования конидиогенного аппарата, степень его гомологии отражает морфологическое сходство этого аппарата у разных видов.
Интересной формой конидиогенеза является микроцикличе- ское образование конидий, при котором спора сильно разбухает и прорастает не вегетативной гифой, а конидиеносцем. Микро- циклический конидиогенез индуцируется как внешними факто- 156
рами, так и юнетически. У аспергиллов (Л. niger, A. nidulans) мик- роцикличсскне формы возникают после выращивания при 44‘С и избытке СО2. В стареющих культурах Phytophihora infestans зооспорангии прорастают ростковой трубкой с новым зооспорангием на конце. Микро циклические мутанты получены у Fusarium pisi и F. subglutinans, причем у последнего нет даже конидиеносца, а сами конидии превращаются в фиалиды, образуя цепочки мик- роконидий. У эндофитных грибов, живущих внутри тканей растений-хозяев, микроцикличность — нормальная форма конидио- генеза. Их длинные нитевидные аскоспоры прорастают множеством микроконидий, которые, отделяясь, в свою очередь прорастают конидиеносцем с конидией. Ростки этих вторичных конидий заражают злаки (рис. 42). За счет нескольких микроконидиальных
Рис. 42. Последовательные микроинкличсекмс спороношсиня Epichloe typhina (Ch. W. Bacon, D. M. Hinton. 1991)Рис. 42. Последовательные микроинкличсекмс спороношсиня Epichloe typhina (Ch. W. Bacon, D. M. Hinton. 1991)эндофитаэндофита
Рис. 42. Последовательные микроинкличсекмс спороношсиня Epichloe typhina (Ch. W. Bacon, D. M. Hinton. 1991)
Рис. 42. Последовательные микроинкличсекмс спороношсиня Epichloe typhina (Ch. W. Bacon, D. M. Hinton. 1991)
эндофита
эндофита
генераций увеличивается численность инфекционных единиц, ибо в жизненной стратегии для этих грибов достижение восприимчивых тканей растений более важно, чем длительное выживание вне растения.
По-видимому, исходной для подобных мутантов была мутация isg (in situ germination), описанная у гриба Verticillium albo- atrum. У мутантов isg конидии прорастают непосредственно на фиалидах, что может быть следствием нарушения двух событий: прекращения ядерного цикла на стадии Gq и отсутствия ингибиторов прорастания или потери чувствительности к ним.
Микроциклические формы полезны для получения большой массы конидий в процессе производства микопестицидов (грибов-паразитов вредных насекомых, фитопатогенных грибов и сорных растений).
Циркадные ритмы
Колонии многих грибов часто имеют зональную структуру. Зональность может проявляться и при росте на естественных субстратах: некоторые фитопатогенные грибы (например, из рода Aiternaria) вызывают на пораженных листьях образование пятен с четко выраженной зональностью. Зональное расположение спор наблюдается на поверхности яблок, пораженных плодовой гнилью (Monilia fructigena). Зональность колоний на агаре может быть обусловлена: 1) чередованием зон вегетативного мицелия и ко- нидиального спороношения; 2) чередованием зон вегетативного мицелия и зон, содержащих склероции или псевдосклероции; 3) чередованием зон вегетативных гиф, имеющих разный тип и интенсивность ветвления. Периодичность, или осцилляция, внутриклеточных процессов, приводящих к проявлению зонального фенотипа, разделяют на три типа ритмов: циркадный, ультрадный и инфрадный. Циркадный (от латинского circa diem) ритм имеет приблизительно 24-часовой период, т. е. совпадает с суточным ритмом. Он характерен для всех организмов — от одноклеточных до позвоночных. Ультрадные ритмы имеют периодичность от миллисекунд до нескольких часов. Наконец, инфрадные ритмы превышают суточный период (например, сезонные периоды).
Циркадный ритм должен удовлетворять нескольким условиям: 1) иметь продолжительность около 24 ч; 2) быть отзывчивым на естественно меняющиеся в суточных ритмах внешние стимулы, такие, как свет и температура, запускающие ритм, при кратковременном воздействии которых он восстанавливается; 3) иметь компенсаторный потенциал, позволяющий сохранять константный ритм в пределах широкого варьирования условий роста; ) контролироваться генетически. У грибов наиболее исследован
генетический контроль циркадных ритмов у Neurospora crassa, колония которой имеет вид чередующихся колец вегетативного мицелия и зон спороношения с периодом 21,6 ч (рис. 43). Исследование генов, регулирующих циркадный ритм N. crassa, проводилось двумя путями.
Первый путь — изоляция фазоспецифичных мРНК в разные часы суток — астрономические часы (sidereal time) — ST0 (рассвет), ST12 (закат). Из библиотеки фазоспецифичных кДНК идентифицировано 8 ccg (clock controlled genes)-reHOB, контролирующих циркадный ритм. Два гена, интенсивно экспрессирующиеся утром, — ccg-1 и ccg-2,
Рис. 43. Колония Neurospora ст^л с чередующимися областями интенсивного и слабого конидисобразо- вания (M.Ramsdalc, 1999)Рис. 43. Колония Neurospora ст^л с чередующимися областями интенсивного и слабого конидисобразо- вания (M.Ramsdalc, 1999)запускают конидиогенез. Ген ccg-1 оказался гомологичным ранее описанному гену репрессии глюкозы grg-1, a ccg-2 — гомологичным гену синтеза низкомолекулярного гидрофобного белка, кристаллизующегося на поверхности мицелия, гидрофобина еае или ЬП-1. Остальные гены ccg также имеют пик экспрессии во время конидиогенеза. Среди них находятся и описанные ранее специфичные для конидиогенеза гены соп-6 и сои-10. Они активизируются при переходе от света к темноте и, наоборот, от темноты к свету. При пульсирующем одноразовом освещении культуры эти гены экспрессируются все время с периодичностью в 20 часов. У мутантов bd и //ф-Ргены соп-6 и сол-УРсветоиндунибельны, но не светорепрессибельны.
Рис. 43. Колония Neurospora ст^л с чередующимися областями интенсивного и слабого конидисобразо- вания (M.Ramsdalc, 1999)
Рис. 43. Колония Neurospora ст^л с чередующимися областями интенсивного и слабого конидисобразо- вания (M.Ramsdalc, 1999)
Ген ccg-7 контролирует синтез глицеральдегид-3-фосфатдегид- рогеназы, ген al-3 — геранил пирофосфатсинтетазы — ферментов, участвующих в образовании каротиноидов (интенсивный ка- ротиногенез сопровождает формирование воздушных гиф и спо- роношение). Однако конидиогенез и циркадный ритм регулируются разными генами и различными путями трансдукции сигнала.
Второй путь исследования — получение мутации, влияющих на скорость прохождения ритма — канонических с/осА'-мутантов (с испорченными часами, которые отстают или, наоборот, спе шат). Такие мутации картированы в семи локусах. Их свойства приведены в табл. 15.
Лучше всего исследован локус /rq, по которому полученоне сколько мутантов. Он образует два транскрипта, продукты тр
Таблица 15. Мутации циркадных ритмов у N. с г ass а
Локус/аллсль
Хромосома/ плечо
Период при 25‘С. ч
Доминантность
frq (frequency) 1
VII/R
16
П ол удоми нантн ы й
frq (frequency) 2
To же
19,3
То же
frq (frequency) 3
*
24
»
frq (frequency) 7
»
29
»
frq (frequency) 9
»
Аритмичный
Рецессивный
chr (chrono)
VI/L
23,5
Полудоминантный
prd-1 (period)
III/C
25,8
Рецессивный
prd-2
V/R
25,5
То же
prd-3
i/c
25,1
»
prd-4
I/R
18
Доминантный
cla-l (clock- afleeting)
IR/VI IR(pcucc- сивная транслокация)
27
Полудоминантный
ляции которых — белки из 890 и 989 аминокислот, имеющие мотив связывания с ДНК (область, характеризующуюся, как фактор транскрипции). Гомологичные последовательности обнаружены у многих аскомицетов, даже не имеющих циркадных ритмов роста. У дрозофилы клонирован ген per (period), влияющий на прохождение циркадных ритмов, который гомологичен frq. У мутантов frq, изменяющих продолжительность циркадного ритма, обнаружены точковые замены аминокислот в белках.
Транскрипция /rg-мРНК очень низка при ST0, но затем растет, достигая пика при ST2-6. Затем появляются FRQ-белки, максимальное количество которых наблюдается при ST8. Оба белка параллельно фосфорилируются, затем переходят в ядро и репрессируют экспрессию собственных мРНК (регуляция конечным продуктом), включая другие clock-элементы. По-видимому, в такой регуляции принимают участие еще два гена: wc-1 и wc-2 (white collar). Мутанты по этим генам аритмичны и нс отзываются на свет («слепые»). Контролируемые ими белки имеют домен PAS — мотив, найденный у некоторых белков, регулирующих циркадные ритмы дрозофилы и позвоночных животных, а также у многих других белков, и функционально связанный с передачей сигнала, вызванного внешней информацией (кислород, свет), путем взаимодействия типа белок—белок.
Предложенная модель осцилляции активности /гд-генов выглядит в связи с этим следующим образом (рис. 44). Свет вызывает образование гетеродимсров белков WC-1 и WC-2, которые акти-
frqfrqРис. 44. Модель регуляции циркад-ных ритмов у Neurospora crassa
frq
frq
(Р L. Lakin-Thomas, 2000).
тран-WC-1 (white collar) и WC-2, а белок FROкость их гстсродимсров Свет восгтипоп..», hRQ ингибирует актив-»~А„Лц,рив. с.вст восстанавливает активность WC-l hWC-2тран-WC-1 (white collar) и WC-2, а белок FROкость их гстсродимсров Свет восгтипоп..», hRQ ингибирует актив-»~А„Лц,рив. с.вст восстанавливает активность WC-l hWC-2Гены часового механизма frq ритмически транскрибируются и транслируют белок FRQ, который транспортируется в ядро и ингибирует экспрессию генов frq. Для активации транскрипции гена frq требуются два фактора скрипции белка —
тран-
WC-1 (white collar) и WC-2, а белок FRO
кость их гстсродимсров Свет восгтипоп..», hRQ ингибирует актив-
»~А„Лц,рив. с.вст восстанавливает активность WC-l hWC-2
тран-
WC-1 (white collar) и WC-2, а белок FRO
кость их гстсродимсров Свет восгтипоп..», hRQ ингибирует актив-
»~А„Лц,рив. с.вст восстанавливает активность WC-l hWC-2
^РУЮТ т^нскрипцию/гд-генов. Их продукт - негативный регулятор FRQ, который транспортируется в ядро и ингибирус? активацию транскрипции. пирует ак
Мицелиально-дрожжевой диморфизм
После рассмотрения генетического регулирования мицелиального и дрожжевого роста необходимо кратко остановиться на явлении мицелиально-дрожжевого диморфизма, присущего многим грибам. Причины такого диморфизма следующие.
Физиология питания. Мицелиальные формы дейтеромицетов из рода Verticillium живут, как сапротрофы, в почве, но могут заражать корни, проникать в сосуды ксилемы восприимчивых растений и существовать там в дрожжеподобной форме, вызывая увядание (вилт) пораженного растения. Другой дейтеромицет, Candida albicans, — возбудитель глубоких микозов у пациентов с иммунодефицитом и людей с нормальным иммунным статусом. На большинстве питательных сред он растет в дрожжевой форме (эллипсоидальные бластоспоры); сыворотка млекопитающих, температура 37 ’С и некоторые другие факторы индуцируют мицелиальный рост.
Состояние ядер в клетках. Базидиальные грибы из порядка Ustilaginales и сумчатые из порядка Taphrinales образуют в зараженных тканях растений хорошо развитый мицелий, клетки которого содержат по два ядра (дикарионы). Такой мицелии не может расти на искусственных питательных средах. Одноядерные споры этих грибов размножаются почкованием, образуют дрожжеподобные колонии на искусственных средах и не способны зара
жать растения.
Газовый состав среды. Некоторые зигомицеты из рода Muci аэробных условиях существуют в мицелиальной форме, а в а робНЫХ — В ДрОЖЖеВОЙ.„мппо*
Таким образом, мицелиально-дрожжевои д““°Рф”^ нождается кардинальной перестройкой морфологи , ф
Табл и на 16. Химический состав клеточной стенки и мембраны у двух видов грибов ( %)
1Клеточная стенка Mucor rouxii
Плазмалемма Candida albicans
Компоненты
Дрожжевые клетки
Гифы мицелия
Компоненты
Дрожжевые клетки
Гифы мицелия
Хитин
8,4
9,4
Белки
50,0
40,0
Хитозан
27,9
32,7
Липиды
41,0
31,0
Манноза
8,9
1,6
Углеводы
9,0
25,0
и метаболизма. При переходах из одной формы в другую изменяются физиология важнейших энергетических процессов (дыхание — брожение), образ жизни (паразитический или сапротрофный), химический состав клеточной стенки и мембраны (табл. 16).
У дрожжевых сахаромицетов
ДругиесигналыДругиесигналыStel2-TcclStel2-TcclСигнал,полученныйпри азотномголоданииСигнал,полученныйпри азотномголоданииI♦Ras2I♦Cdc42I♦Ras2I♦Cdc4214-3-314-3-3МишениМишениРис. 45. Сигнальный путь активизации псевдомицелиального роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae, вызванный азотным голоданием (F. Banuctt, 1998)Рис. 45. Сигнальный путь активизации псевдомицелиального роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae, вызванный азотным голоданием (F. Banuctt, 1998)в условиях азотного голодания наблюдается псевдомицелиаль- ный рост, при котором клетки вместо овальных становятся вытянутыми; они почкуются апикально, почки не отделяются от материнской клетки, вследствие чего образуются цепочки клеток. Такой тип роста позволяет лучше осваивать бедный питанием субстрат.Исследования показали, что при азотном голодании происходит внутриклеточная передача сигнала на ядро с помощью каскада митогенноактивных про- теинкиназ (МАРК).Сигнал об азотном голодании передается двумя небольшими белками, имеющими сайты связывания ГТФ: Ras2 и Cdc42. Далее сигнал передается на МАРК Ste20; а от него — последовательно на другие киназы: Ste 11 — Ste? — Ste 12. Последний взаимодействует с белком Тес! (рис. 45).Композиция этих белков обеспечивает их связывание с геном — мишенью, осуществля-в условиях азотного голодания наблюдается псевдомицелиаль- ный рост, при котором клетки вместо овальных становятся вытянутыми; они почкуются апикально, почки не отделяются от материнской клетки, вследствие чего образуются цепочки клеток. Такой тип роста позволяет лучше осваивать бедный питанием субстрат.Исследования показали, что при азотном голодании происходит внутриклеточная передача сигнала на ядро с помощью каскада митогенноактивных про- теинкиназ (МАРК).Сигнал об азотном голодании передается двумя небольшими белками, имеющими сайты связывания ГТФ: Ras2 и Cdc42. Далее сигнал передается на МАРК Ste20; а от него — последовательно на другие киназы: Ste 11 — Ste? — Ste 12. Последний взаимодействует с белком Тес! (рис. 45).Композиция этих белков обеспечивает их связывание с геном — мишенью, осуществля-
Другиесигналы
Другиесигналы
Stel2-Tccl
Stel2-Tccl
Сигнал,полученныйпри азотномголодании
Сигнал,полученныйпри азотномголодании
I♦Ras2
I♦Cdc42
I♦Ras2
I♦Cdc42
14-3-3
14-3-3
Мишени
Мишени
Рис. 45. Сигнальный путь активизации псевдомицелиального роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae, вызванный азотным голоданием (F. Banuctt, 1998)
Рис. 45. Сигнальный путь активизации псевдомицелиального роста дрожжей Saccharomyces cerevisiae, вызванный азотным голоданием (F. Banuctt, 1998)
в условиях азотного голодания наблюдается псевдомицелиаль- ный рост, при котором клетки вместо овальных становятся вытянутыми; они почкуются апикально, почки не отделяются от материнской клетки, вследствие чего образуются цепочки клеток. Такой тип роста позволяет лучше осваивать бедный питанием субстрат.
Исследования показали, что при азотном голодании происходит внутриклеточная передача сигнала на ядро с помощью каскада митогенноактивных про- теинкиназ (МАРК).
Сигнал об азотном голодании передается двумя небольшими белками, имеющими сайты связывания ГТФ: Ras2 и Cdc42. Далее сигнал передается на МАРК Ste20; а от него — последовательно на другие киназы: Ste 11 — Ste? — Ste 12. Последний взаимодействует с белком Тес! (рис. 45).
Композиция этих белков обеспечивает их связывание с геном — мишенью, осуществля-
в условиях азотного голодания наблюдается псевдомицелиаль- ный рост, при котором клетки вместо овальных становятся вытянутыми; они почкуются апикально, почки не отделяются от материнской клетки, вследствие чего образуются цепочки клеток. Такой тип роста позволяет лучше осваивать бедный питанием субстрат.
Исследования показали, что при азотном голодании происходит внутриклеточная передача сигнала на ядро с помощью каскада митогенноактивных про- теинкиназ (МАРК).
Сигнал об азотном голодании передается двумя небольшими белками, имеющими сайты связывания ГТФ: Ras2 и Cdc42. Далее сигнал передается на МАРК Ste20; а от него — последовательно на другие киназы: Ste 11 — Ste? — Ste 12. Последний взаимодействует с белком Тес! (рис. 45).
Композиция этих белков обеспечивает их связывание с геном — мишенью, осуществля-
ютим переключение программы оачпитиа о домицелиальную. Таковыми могут быть гены ffi^ Первый, по-видимому, контролирует синтезS0K2
мицилиальното роста, ибо нуль-мутация этого сна ХХкой рост конститутивным. Белки Phdl и Sot? - '^ает такой ™ с белками-регуляторами
клеточного цикла, а также с белком StuA ^ре^ИиГ^ТапП участником программы конидиального морфогенез. Последнее наблюдение очень интересно, ибо формирование метул, фиалид и конидии на поверхности конидиеносца A. nidulans осуществляется не делением, а почкованием.
Переключение программы морфогенеза у Candida albicans определяется сходными с вышеописанными компонентами сигнальной системы Cst20 (гомолог Ste20), Hst7 (гомолог Ste7) и Cgf 1 (гомолог Ste 12), но есть и другие, альтернативные пути переключения.
В частности, продукт гена TUP1 является негативным регулятором мицелиального роста (делетированные по этому гену организмы имеют конституционный мицелиальный рост), а продукты генов EFG1 и СРН1, наоборот, — транскрипциальные активаторы мицелиального роста, ибо делеции любого из них приводят к конституционному дрожжеподобному росту. Ген EFG, экспрессирующийся в фазу логарифмического роста, при переносе в геном 5. cerevisiae обеспечивает псевдомицелиальный рост. Белок EFGlp также имеет высокую степень гомологии с белком STUA A.nidulans.
Диморфиз регулируется также уровнем цАМФ в клетках: высокий уровень способствует дрожжеподобному росту, низкий мицелиальному. Возможно, азотное голодание снижает содержание внутриклеточного цАМФ.
Возраст и старение
Бактериальные клетки бессмертны, так как две дочерние клет- ки возникшие вследствие деления родительской клетки, физио "° Удр^йрХтельская оетка не может почковаться беско- неХе"рХ причем число делений «^^“Г ринской клетки у разных штаммов “"“^Хв^катьиам. ос- шедших делений можно установить .
таюшимся на месте отделения почки> • цоприфмиче-
25 - 30 почкований25 - 30 почкованийРубец от почкиРубец от почки
25 - 30 почкований
25 - 30 почкований
Рубец от почки
Рубец от почки
Рис. 46. Биомаркеры старения дрожжевых клеток (D. Sinclair ct al., 1998). В каждом цикле происходит асимметричное деление, в результате которого образуются более крупная материнская и более мелкая дочерняя клетки. В результате повторных процессов на поверхности материнской клетки образуются хитиновые кольца, подсчет числа которых может быть использован для определения возраста клетки
шиеся (более 20 раз) клетки составляют ничтожную часть популяции.
Поскольку старые клетки крупнее молодых, их концентрацию можно значительно повысить в результате нескольких циклов центрифугирования в градиенте сахарозы. Сравнительное изучение генной экспрессии (фракций мРНК) в старых и молодых клетках позволило сделать заключение о генах, специфически транскрибирующихся в разном возрасте.
Например, клонированные гены LAG1 и LAG2 экспрессируются только в молодых клетках. Их продукты представляют собой белки, связанные с мембраной. Делеции по этим генам укорачивают длительность жизни дрожжевых клеток, а перепродукция Lag-белков — увеличивает ее.
Среди генов, экспрессия которых влияет на продолжительность жизни, наибольший интерес представляют 5/Л-гены (silence information regulation), продукт которых ингибирует репрессию ряда генов (в частности, генов HMR и HML, влияющих на тип спаривания клетки, и генов, расположенных в районе теломер). Белки Sir2/3/4 вызывают молчание этих генов на постгранскрипционном уровне вследствие деацетилирования гистонов и изменения структуры хроматина. Снижение их продукции приводит к транскрипции репрессированных локусов, т.е. к появлению в клетке генопродук- тов обоих типов спаривания, потере полового цикла и старению.
В молодых клетках ядрышко представлено компактной структурой, а в стареющих оно фрагментировано, причем Sir-белки переходят из ядра в ядрышко, что делает их неспособными репрессировать генную активность.
Предполагают, что фрагментация ядрышек в стареющих клетках вызвана накоплением кольцевых молекул экстрахромосом ной рДНК VERCV которая играет важную роль в формировании ядрышек.
Вследствие асимметричного расхождения генома (почкования) и способности к авторепликации происходит накопление копий ERC в материнской клетке и фрагментация ядрышка.
Экстрахромосомные элементы влияют на продолжительность жизни и мицелиальных грибов. Выше (см. гл. 1) было показано, что старение мицелия Podospora anserina связано с экстрахромо- сомной кольцевой ДНК, образующейся в митохондриальном геноме (мтДНК).
Глава 5
ГЕНЕТИКА ПОЛОВОГО ЦИКЛА
Слияние двух родительских клеток почти у всех организмов находится под генетическим контролем. Наиболее простой контроль наблюдается у животных, имеющих два пола, определение которых осуществляется на уровне хромосом. У высших растений ситуация более сложная в связи с тем, что наряду с раздельнополыми двудомными растениями имеются раздельно полые однодомные и даже обоеполые. В двух последних случаях возможно как перекрестное оплодотворение, так и самооплодотворение, однако у ряда видов последнее находится под генетическим контролем, который может быть выражен морфологически (например, гетеростилией) или физиологически (например, 5-аллели гаме- тофитной несовместимости). Все эти варианты есть и у грибов. Грибы могут быть раздельнополыми двудомными (например, у ДсЫуа bisexualis оогонии и антеридии находятся на разных особях), обоеполыми однодомными самостерильными (Saprolegnia ferax) и самофертильными {Pyronema conjluens\ Самостерильность и самофертильность могут встречаться у разных видов одного рода. Например, Phytophthora cactorum самофертильна, а Р. infestans са- мостерильна, Neurospora crassa самостерильна, a N. tetrasperma самофертильна. Ситуация осложняется тем, что многие грибы вообще не имеют не только половых органов, но даже специальных гамет и гаметангиев. У них половой процесс осуществляется слиянием вегетативных клеток. Однако и среди таких грибов известны как самофертильные, так и самостерильные виды. Для последних важную роль играет генетический контроль плазмогамии и кариогамии.
Первая классификация, предложенная в 1904 г. А.Блексли, предлагает деление грибов на гомо- и гетероталличные. Первые проходят полный цикл развития из одной споры, вторым для прохождения полного цикла необходимо на каком-то этапе цикла слияние потомства генетически различных спор. К гетсротал- личным грибам относят: 1) двудомные виды, формирующие мужские и женские гаметангии на разных индивидуумах; 2) однодомные самонесовместимые виды; 3) самонесовместимые виды, вообще не формирующие гаметангиев, такие, как дрожжи, большинство базидиомицетов и др. К гомоталличным видам относят грибы из 2-й и 3-й групп, но не имеющие генетической системы 166
Рис. 47. Этапы формирования аскоспор у гетероталличного гриба Ne- urospora crassa и пссвдогомоталлич- ного N. tetraspermaРис. 47. Этапы формирования аскоспор у гетероталличного гриба Ne- urospora crassa и пссвдогомоталлич- ного N. tetraspermaкак требует слияния потомков сте с тем, цитологическое икак требует слияния потомков сте с тем, цитологическое и
Рис. 47. Этапы формирования аскоспор у гетероталличного гриба Ne- urospora crassa и пссвдогомоталлич- ного N. tetrasperma
Рис. 47. Этапы формирования аскоспор у гетероталличного гриба Ne- urospora crassa и пссвдогомоталлич- ного N. tetrasperma
как требует слияния потомков сте с тем, цитологическое и
как требует слияния потомков сте с тем, цитологическое и
несовместимости. Возможно поэтому Г УайтхаУЗ предложил в 1949 г. разделять гетероталлизм на морфологический и физиологический. Однако пользоваться терминами гомо- и гетероталлизм надо осторожно, ибо причины половой самосовме- стимости могут быть различными.
Рассмотрим для примера две пары видов: аском ицеты Neuro- spora tetrasperma и N. crassa и ба-
зидиомицеты Agaricus bisporus и A. campestris. Первый в каждой
паре гомоталличеи, ибо по
томство одной споры может
пройти весь жизненный цикл, а второй гетсроталличен, так
генетически различных спор. Вме- генетическое изучение этих видов
показало, что различия между ними крайне незначительны и с генетической точки зрения непринципиальны. Например, различия видов рода Neurospora заключаются лишь в том, что вслед
ствие определенной ориентации нитей веретена во время мейо- тических делений ядра у гомоталличного вида два гетероаллель-
ных ядра попадают в одну спору, которая уже исходно несет информацию о протекании полового цикла (рис. 47). Более того, отбор потомства N. crassa на крупноспоровость приводит к умень
шению числа спор в аске и появлению асков с четырьмя гомо- талличными спорами. Поэтому можно предположить, что /V. tetrasperma произошла от N. crassa и ее гомоталлизм вторичен. Подобные виды и называют вторично- или псевдогомоталлич-
ными.
Дж.Барнет (1968) разделил системы спаривания грибов натри основные категории: 1) гомоталлизм или при наличии самофер- тильных гаметангиев гомомиксис; 2) биполярный гетероталлизм, или димиксис (предусматривает наличие двух полов или двух типов спаривания); 3) диафоромиксис — наличие многих генов, обусловливающих способность партнеров к спариванию. Грибы, вхо дящие во вторую и третью категорию, обладают, по определению К. Эссера (1961), гомогенной несовместимостью, иоо сливаются лишь особи, гетерогенные по локусу спаривания.
Объединив вышеприведенные дефиниции, можно представит варианты генетического контроля полового процессы в вид схемы:
Морфологический гетероталлизм
Двудомность встречается у грибов редко. Даже амбисексуальные виды оомицетов ^Achlya bisexualis, A. ambisexualis) при изучении большого числа штаммов обнаруживают множество переходных типов (рис. 48). Как видно из рисунка, штаммы ахлии при встрече с одним партнером формируют женские органы — оогонии, а при встрече с другим — антеридии, т.е. их сексуальность относительна. Это обусловлено количественным соотношением половых феромонов антеридиола и оогониола, индуцирующих формирование антеридиев и оогониев. Поэтому такой тип полового процесса получил название гинандромиксиса (от gina — женское и andro — мужское начало). Генетический анализ показывает, что наследование пола в этом случае полигенное.
Истинно двудомны лишь несколько видов — хитридиомицет Blastocladiella variabilis, формирующий мужской и женский талломы, и аскомицет — паразит пчел Ascosphaeria apis, у которой при совместном росте женский таллом формирует аскогон с трихогиной, оплодотворяемой вегетативной гифой мужского таллома.
Рис. 48. Гинандромиксис Achlya bisexualis.Вверху — номера штаммов. Внизу стрелками показана их потенциальная способность формировать антеридии или оогонии относительно друг другаРис. 48. Гинандромиксис Achlya bisexualis.Вверху — номера штаммов. Внизу стрелками показана их потенциальная способность формировать антеридии или оогонии относительно друг другаНесбалансированный морфологический гетероталлизм описан у природных мутантов Nectria haemo tococca (син. Hypomyces solan i / sp. cuccrbitae). У двуполых штаммов этого гриба часто встреча-
Рис. 48. Гинандромиксис Achlya bisexualis.
Вверху — номера штаммов. Внизу стрелками показана их потенциальная способность формировать антеридии или оогонии относительно друг друга
Рис. 48. Гинандромиксис Achlya bisexualis.
Вверху — номера штаммов. Внизу стрелками показана их потенциальная способность формировать антеридии или оогонии относительно друг друга
ЮТСЯ раЗДСЛЫ1ОПОЛЫС МУТЯНТЫ иг ппл
циев (мужские) или нс'способннс опппЦИРУЮШИС "Р°Т0,1СРитс- Рекомбинантнос потомством™ ИХ ^енские). ным по обоим генам, т.с. стср^ ИЛИ м>™"- сбалансирован, поскольку в потомстве нчп^И гетсроталлизм *«е- (самонесовместимыми) родительскими тии^ гстеро1аллич,,ыми
Физиологический гетероталлизм. Димиксис
Физиологический гетероталлизм представляет собой половой процесс «без пола», ибо скрещивающиеся штаммы не имеют морфологических различий и различаются лишь типом половых феромонов. Он встречается у грибов гораздо чаще морфологического. Наиболее простой и широко встречающийся — диаллельный, когда тип спаривания контролируется двумя аллелями одного локуса, причем слияние возможно только между индивидуумами, имеющими противоположные типы спаривания. Такой гетероталлизм называют димиксисом. Он встречается у грибов из всех классов. Многие из этих грибов имеют половые органы, однако гены, контролирующие образование гаметангиев и спаривание, могут быть различными, поэтому у обоеполых видов один и тот же штамм может быть как донором, так и акцептором ядер. Другие грибы, например мукоровые или дрожжи, не имеют половых органов.
Регуляция полового процесса у аскомицетных дрожжей
Жизненный цикл и переключения типов спаривания
В жизненном цикле дрожжей сахаромицетов преобладает диплоидная стадия. На богатых углеводами средах диплоидные дрож жи размножаются почкованием, а на обедненных (например, при замене сахара ацетатом натрия) происходит мейоз, продукты которого — 4 гаплоидные споры — освобождаются после Р3^^ оболочки материнской клетки и попарно копулируют, даваяi две диплоидные зиготы, которые размножаются I^ативно^ почкованием. Если аскоспоры до слияния изолировать.наотде.льны питательные среды, то у одних природных штаммов будутв^ тативно размножаться гаплоидные клетки, aR_ПОТОм-
илные Псовые штаммы, следовательно, гетероталличны. пото “во их спор принадлежит к одному типу спаривания и не спо- Хок "ю. вторые штаммы гомо—нЫ’ п^о.^ км моноспорового потомства слу шино станавливая диплоидное состояние.
У гстероталличных дрожжей на правом плече III хромосомы был картирован локус, ответственный за спаривание (maz-локус). Он имеет два аллеля — а и а, причем спариваться могут лишь клетки, имеющие разные аллели. Поэтому диплоидные штаммы гетерозиготны по локусу спаривания, а при мейозе происходит расщепление 2а 2а. У гомоталличных видов, естественно, расщепления нет, ибо все потомки диплоидны (4Д ОГ). Однако часто встречались промежуточные между гомо- и гетсроталличны- ми формы. У некоторых штаммов наблюдалось расщепление 2Д 2а, т.с. две споры гомоталличны (их потомство диплоидно), а две _ гетероталличны, дают гаплоидное потомство, которое в скрещиваниях ведет себя как а. Другие штаммы давали расщепление 2Д 2а. Эти данные вызвали большое внимание к исследованию структуры /HaZ-локуса. Определенный вклад в понимание его структуры внесли работы Г. И. Наумова.
Было показано, что на III хромосоме наряду с maZ-локусом находятся еще два локуса (кассеты), играющие роль в диплоиди- зации. На правом плече дистальнее maZ-локуса лежит кассета, названная HMR, а на левом плече —кассета HML. Участки ДНК в этих кассетах гомологичны МАТ-ДНК, но вследствие наличия негативного регулятора транскрипции SIR (см. стр. 164) они не экспрессируются. Однако информация из кассет может заменять информацию, находящуюся в локусе спаривания. Если, допустим, гаплоидный штамм содержит информацию mat-a, а кассеты HMR — а и HML — а, то в какой-то клетке a-информация в maZ-локусе может быть заменена а-информацией из кассеты HMR. Такая клетка будет спариваться с близлежащими а-клетками, в которых замены информации не было, и формировать диплоиды. Диплоидные штаммы, имеющие генотип a/а, HMRa, HMLa, будут расщепляться на 2Д 2а, ибо информация, находящаяся в локусе спаривания, может замещаться на а, но не на а.
В перемещениях информации из разных кассет в локус спаривания есть некоторая избирательность: а-клетки преимущественно получают информацию из кассеты HMR, тогда как а-клетки — из HML. Однако, если предпочтительный донор делетиро- ван, неэффективный донор становится эффективным, то есть имеет место конкуренция кассет. В механизме, лежащем в основе выбора кассет, важную роль играет энхансер рекомбинации (RE), расположенный на левом плече третьей хромосомы, проксимальнее кассеты HML. Благодаря ему усиливается передача информации из кассеты HML в локус mat-a. В клетках, содержащих локус mat-a, RE инактивирован, и информация на всем протяжении левого плеча хромосомы, включая кассету HML, становится рекомбинационно неактивной. Поэтому переключение типа спаривания осуществляется преимущественно из правой кассеты.
Пересечения осущсспияются сайт-спсцифнчсской лпо,™ леазои, которая находится „од контролем гена НО. Эндо ^а узнает определенный сайт в локусе спаривания, производи лв^ нитсвые разрывы ДНК (сайт-специфическую генную конверсию» и заменяет участок ДНК в maz-локусе на кассету. Переключение происходит медленно (в течение часа) и требует участия многих белков. Следовательно, кроме наличия определенной информации в кассетах на интсрконвсрсию типов спаривания и диплои- дизацию моноспоровых штаммов дрожжей влияет состояние локуса НО (в гомозиготах ho/ho эндонуклеаза не функционирует). Экспрессия гена НО находится под контролем нескольких SWI-re- нов, белковые продукты которых связываются с промотором Н0- гена. Замена информации происходит перед репликацией ДНК, вследствие чего материнская и дочерняя клетки всегда переключаются попарно. В процессе делений переключения могут многократно повторяться.
Структура факторов спаривания
Структура факторов а и а показана на рис. 49. Как видно, они отличаются как по обшей протяженности, так и по функциональной нагруженности. Поэтому по предложению Р.Мезенберга (1990) их называют не аллелями, а идиоморфоми. Поскольку оба типа спаривания содержат по две дивергентно транскрибируемые рамки считывания, то последовательности а и а правильнее называть факторами, а не локусами или генами спаривания.
Факторы спаривания несут регуляторные функции. Транскрипт MATal - позитивный регулятор экспрессии a-специфичных ге-
МАТа С
МАТж2 MATal
MATal
MATa2
MATa
Рис. 49. Структура Различаются участки
локусов спаривания S°<""^
, и 700 И П. COOTDlTCTBCHHU/ Ya и Ya (размером 6)0 и /ии н.
нов; при его соединении с активатором транскрипции Mcmlp эти гены активируются. Транскрипт МАТа2 — негативный рсгу- зятор экспрессии а-спсцифичных генов, для чего также служит его соединение с белком Mcmlp. Следовательно, в а-клетках экспрессируются a-специфичные гены (вследствие индукции) и нс экспрессируются а-специфичныс (вследствие репрессии). Поэтому мчтанты по гену al стерильны, ибо в них вообще не экспрессируются гены, необходимые для спаривания. В а-клетках экспрессируются а-спсцифичныс гены (вследствие отсутствия их репрессии) и не экспрессируются a-специфичные (вследствие отсутствия индукции). Следовательно, транскрипты МАТ-а не принимают участия в регуляции метаболизма гаплоидных клеток.
Альфа- и a-специфичные гены и их продукты
Альфа- и a-специфичные гены кодируют феромоны и рецепторы феромонов: a-клетки продуцируют а-феромоны и рецепторы a-феромонов; а-клетки продуцируют а-феромоны и рецепторы к а-феромонам.
Феромоны представляют собой олигопептиды, синтез которых находится под контролем двух пар генов (MFal, MFa2, MFal, Mfa2). Феромон а, представляющий собой пептид из 13 аминокислот, образуется после протеолитического расщепления более длинных предшественников, гликозилируется и секретируется из клетки обычным путем в везикулах. Феромон а, 12-аминокислот- ный липопептид, имеет на аминотерминальном участке дополнительную аминокислотную последовательность, а на карбоксил- терминальном участке дополнительный мотив СааХ (С — цистеин, а — алифатическая аминокислота, X — одна из нескольких аминокислот). Через цистеин происходит соединение предшественника а-феромона с фарнезилом (пренилирование), после чего протекает серия событий, необходимых для прохождения через мембрану: прикрепление к мембране, удаление трех С-терминаль- ных аминокислот, метилирование цистеина, ставшего терминальным, и удаление N-терминальной области предшественника. После этого феромон транспортируется наружу с помощью транспортного белка Ste6p, локализованного в клеточной мембране.
Рецепторы феромонов синтезируются под контролем генов STE (STE2 контролирует рецептор a-феромона, STE3 — а-феромона). Рецепторы феромонов принадлежат к большому семейству трансмембранных родопсиноподобных белков-рецепторов, имеющих короткий N-терминальный внеклеточный домен, семь трансмембранных гидрофобных a-спиралей, три внеклеточные и три внутриклеточные петли и длинный внутриклеточный С-терминаль- ныи хвост (рис. 50). Передача сигнала с рецептора осуществляет-
Рис. 50. Сигнальный путь индукции полового цикла у Saccharomyces сегс- visiac (L. A.Casselton, N.S.Olcsnicky, 1998).
феромон связывает внеклеточную петлю рецептора, после чего соединяется с а-субъсдиннцсй G-бслка и освобождает р- и у-субъсдинииы. которые активируют белок Stc20 — первую протсинкиназу MAP-киназного каскада. Последний фос- форилированный белок — Stcl2 — является фактором регуляции транскрипции и связывается с премоторными участками многих генов
ся через гетеромерный (состоящий из а-, р- и у- субъединиц) белок, соединенный с гуанином (G-белок). После соединения с феромоном конформация рецептора изменяется, и его внутриклеточные петли связываются с а-субъединицей G-белка. Субъединицы p-у освобождаются и стимулируют каскадную активацию протеинкиназ, последовательно фосфорилирующих белки. Первая киназа, фосфорилируемая активизированными субъединицами G-белка, — серинтреонино
вая киназа Ste20p. Она в свою очередь фосфорилирует каскад ми- тогенактивирующих белков (МАР-киназ). MAP-киназы фосфорилируют активатор транскрипции белок Stel2p. Последствия этого
заключатся в следующих важнейших изменениях клеточного ме
таболизма.
Протеолиз феромонов и инактивация рецепторов, которые
становятся ненужными.
Арест клеточного цикла на стадии Gj (для синхронизации партнеров) вследствие инактивации циклинов, необходимых для его запуска (см. гл. 4), белком FAR1 и прекращение почкования.
Изменение формы клеток: вместо сферических и эллипсовидных они становятся грушевидными, вытягиваясь навстречу друг другу. Продукт гена ARF1 — белок АгЛр определяет место на клеточной стенке, которая здесь вытягивается в направлении градиента концентрации феромона. Поляризованный рост клетки осуществляется с помощью элемента цитоскелета актина (регулируется белком Cdc42p).
4 Синтез поверхностных агглютининов —гликопротеинов, обеспечивающих слипание контактирующих клеток. Агглютинин а представляет собой N-гликознлированный белок, состоящий из 650 аминокислот, а-агглютинин - гликопротеин из 87 аминокислот. ‘' 5. Синтез ферментов, обеспечивающих растворение клеточных стенок в местах контакта.
6. Миграция ядер навстречу друг другу и их слияние.
Таким образом, основные гены и их продукты, оперирующие в гаплоидных клетках и обеспечивающие их слияние, следующие:
al — индуктор a-специфичных генов;
НО — сайт-специфичная эндонуклеаза, обеспечивающая переключение типов спаривания;
Mfa и Mfa — феромоны;
Ste2 и Ste3 — рецепторы феромонов;
$те5 — фактор слияния клеток;
KAR1 — фактор слияния ядер.
Гены и их продукты, функционирующие в диплоидных клетках
В диплоидных (a/а) клетках должна быть блокирована экспрессия феромонов, их рецепторов, НО-эндонуклеазы и должны активироваться гены, ответственные за клеточный цикл, мейоз и споруляцию (экспрессия двух последних индуцируется голоданием). Регулятором этих изменений является гетеродимер, образующийся вследствие объединения белков а и а. Гетеродимер matal/mata2 выполняет роль репрессора транскрипции, который вместе с факторами общей репрессии транскрипции Tuplp и Ssn6p формирует репрессорный комплекс, подавляющий активность гаплоидно-специфичных генов. В результате этого экспрессируются гены клеточного цикла, описанные в гл. 4.
Сходная структура факторов спаривания и их переключения, а также механизмов совместимости описана у делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe (рис. 51).
Рис. 51. Функциональные модели факторов спаривания у дрожжей из разных таксонов — аскомицстов Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe и базидиамицста Ustilago maydis (Е.Coppin cl al., 1997).
Волнистыми линиями указана экспрессия генов. Линии, заканчивающиеся поперечной полоской, показывают ингибирование экспрессии генов, а линии, заканчивающиеся стрелкой, — на активацию. Пунктирными стрелками показана непрямая активация экспрессии генов, вызванная сигналом фермонов. a-sg, a-sg и n-$g — а, а и гаплоид-спсцифичные гены 5. cerevisiae; M-sg и P-sg — гены, специфически экспрессирующиеся в М- и Р- клетках 5. pombe; RM El и IME! - репрессор и индуктор мейоза. В кружочках — домены кодируемых белков: белки с гомсодоменами, белки с al-доменами, белки с Н MG-домс нам и (высокомо- бильныс группы) и белки, нс имеющие мотива связывания с ДНК
Регуляция полового процесса у мицелиальных аскомицетов
Локусы спаривания
В отличие от дрожжей у мицелиальных аскомицетов не установлено переключение факторов спаривания. Спаривание гетеро- талличных видов инициируется узнаванием под воздействием феромонов рецептивной гифой (трихогиной) штамма, имеющего противоположный тип спаривания. Трихогина сливается с мужской гаметой (конидией) или гифой, после чего происходят морфогенетические изменения, приводящие в конечном счете к образованию сумок с аскоспорами (рис. 52). Структура факторов спаривания исследована у нескольких аскомицетов, из которых мы рассмотрим пиреномицеты Neurospora crassa и Podospora anserine и локулоаскомицет Cochliobolus heterostrophus.
У Neurospora crassa на первой хромосоме находится МАТ-фактор, включающий две идиоморфы, не гомологичные по протяженности и последовательности нуклеотидов. Протяженность фактора А составляет 5,3 тыс. н.п., фактора a — 3,2 тыс. н.п. В митозе происходит спаривание по всей длине хромосомы, кроме области МАТ- фактора, где хромосомы не конъюгируют. Фактор А содержит три гена: mat А-1, mat А-2 и mat А-3, фактор a — один ген mat д-1.
Фактор спаривания Podospora anserina также имеет две идиоморфы: mat^) протяженностью 3,8 тыс. н.п. включает один ген FPR1, /пдг(-) протяженностью 4,7 тыс. н.п. — три гена FMR1, SMR1 и SMR2.
У Cochliobolus heterostrophus каждая идиоморфа включает по одному гену: МАТ-1 (1,3 тыс. н.п.) и МА Т-2 (1,2 тыс. н.п.).
Гены спаривания этих видов имеют большие области гомологии и сходны функционально (рис. 53). В частности, кроме узнавания на уровне клеток (сливаются только гетероаллельные по локусу спаривания гаметы или гаметангии), осуществляемого взаимодействием феромонов и рецепторов, у мицелальных аскомицетов необходимо узнавание на уровне ядер (синхронизация делений и миграция гетероаллельных ядер дикарионов в многоядерных клетках и последующее их слияние). Гены N.crassa и P.anserina mat a-1, FRP1 и mat A-1, FMRI необходимы для оплодотворения, а гены mat А-2, SMR1 и mat А-3, SMR2 — для последующего развития оплодотворенного перитеция, включая ядерное узнавание. Мутация N. crassa по гену рге-1 (рецептор феромонов) лишала штаммы с типом спаривания matA способности оплодотворяться микроконидиями противоположного типа; следовательно, сигнал взаимодействия феромона и рецептора необходим нс только для узнавания, но и для фертилизации.
Все кодируемые генами спаривания белки являются регуляторами транскрипции. В структуре кодируемых ими белков имеются 176
I ис. 52. Жизненный цикл гриба Podospora anserina (Е. Coppin ct al., 1997)
MAT-2
C. heterostrophus
1171 н.п.
MAT-2
34 Зак
c=Sd
MAT-1
383 ак
MAT-1
1297 н.п.
X68398
X68399
3235 н.п.
лшга-l382 ак
M34287
N. crassaA
5301 н.п.
met A-3 mat A-2 mafA-1324ак 373ак293ак
"М33876 М33876 М33876
mat+
N. anserine
(38ОО±2ОО) н.п.
FPR1
402 ак
SMR2 SMR1 288 ак 356 ак Л-m Д^Ьг
Х64195
Х73830
mat-
(4700±200) н.п.
FMR1 305 ак ri.
Х64194
Рис. 53. Структура факторов спаривания трех сумчатых грибов — локуло- аскомицета Cochliobolus heterostrophus и пирсномицстов Neurospora crassa
и Podospora anserine (Е.Coppin et al. 1997).
Жирной линией обозначены участки с уникальными последовательностями (иди- оморфы). Их протяженность, измеряемая числом нуклеотидных пар (н.п.) приведена справа и слева. Стрелками обозначены кодирующие последовательности идентифицированных генов, а черными полосками внутри — интроны. Под символом каждого гена показана длина кодируемого белка в числе аминокислот (ак)
определенные последовательности (мотивы), обеспечивающие связывание с ДНК (табл. 17).
Высокомобильная группа HMG (high mobility group) найдена у многих белков — регуляторов транскрипции, включая половой фактор, кодируемый геном SRV, который расположен на V хро-
Таблица 17. МАТ-гены мицелиальных аскомицетов (В.Turgeon, 1998)
Идиоморфы
Виды грибов и гены в составе /паг-локусов
ДНК-связываюший мотив белка
С. heterostrophus
N. crassa
P. anserine
1
МАТ-1
MatA-1
MatA-2
MatA-3
FMRI SMR1 SMR2
a-бокс a-спираль HMG
Г 2
МАТ-2
Mata-1
FPR1
HMG
Генетическая регуляция плодообразоеания
Плодообразование у аскомицетов контролируется многими факторами - морфогенами, регулирующими морфогенез плодовых тел, липидами, стимулирующими половую репродукцию ферментами фенолоксидазами (о-дифенолоксидоредуктазой — тирозиназой и л-дифенолоксидоредуктазой — лакказой), а также факторами внешней среды — светом, голоданием и др. По- видимому, на формирование плодовых тел оказывают влияние гидрофобины — низкомолекулярные гидрофобные белки, откладывающиеся на поверхности. Так, гидрофобии крипарин, найденный в клеточных стенках плодовых тел возбудителя рака каштанов Criphonectria parasitica, необходим для прохождения плодовыми телами твердой древесной коры. Не удивительно, что опи
сано огромное число неидентичных мутаций, влияющих на плодообразование у многих аскомицетов. Например, ген wc (white color) N.crassa и ген pall Gibberella теае влияют на синтез фено- локсидаз. Мутации по первому гену приводят к отсутствию перитециев, а по второму — к появлению желтых (вместо черных) стерильных перитециев. Кроме того, большое число генов влияет на процессы кариогамии, мейоза, формирование аскоспор и их расположение в аске. Данные по Neurospora показаны в табл. 18.
У Podospora anserina получено около 30 мутаций, влияющих на поведение ядер в аскогенных гифах и асках. Мутации гена amil
Таблица 18. Мутации N. crassa, нарушающие мейоз
Локус
Локализация
Фенотип
mei-1 mei-2
IV R (рецессивная) V R (доминантная)
Нет полноценного синаптонсмного комплекса (только аксиальные элементы) — дефект по спариванию хромосом; 70—90% спор белые, нежизнеспособные, вследствие нсрасхождения в первом делении часты дисомики
mei-3
I L(рецессивная)
Блокирует зиготену
met-4 /sp
III R
II
Подавляют второе деление, вследствие чего Формируются 4-споровые аски
peak
Шаровидные (неупорядоченные) зеки С 8 нелинейно расположенными спо- рами (нарушение ориентации веретен^
Рис. 54. Блокирование разных этапов аскоспорогенсза у 26 мутантов Podospora anserina (E.Zicklcr, 1980).
Сплошной чертой показано нормальное прохождение-этапов, пунктирной — ненормальное. В колонке слева — символы мутантов (WILD — дикий тип). Рисунки вверху — последовательные этапы конидногенсза: крючок, пахитсна, первое и второе мсйотическис деления, формирование аскоспоровой мембраны, пост- мсйотичсский митоз, врастание аскоспоровой мембраны с одновременной миграцией ядер, разделение аскоспор, созревание аскоспор, сумка с зрелыми аскоспорами
приводят к мужской стерильности (ядра нс мигрирует из кони- диеносца в микроконидию, служащую мужской гаметой), нарушениям миграции ядер в аскогенных гифах, формированию одноядерных клеток крючка (вместо двухъядерных), неспособности к самооплодотворению. Этот ген имеет 42 % последовательностей ДНК, гомологичных арзЛ-гену Л. nidulans, также регулирующему миграцию ядра в конидию. Ген его! необходим для образования перегородки, отделяющей вершину крючка аскогенной гифы от основания и кончика. У мутантов по этому гену сливаются не два, а большее число ядер с последующими нарушениями мейоза и 180
образованием стерильных аскон V
каются ядра в верхушке крючка поэтов "° Г,,'У "'',,с с™- образуются. На процессы Диплоадизтии J ™°'и^ ««Р» нс нис спор шшяют 27 spo-мутантов“рне 54’ 33 " форм"₽ою-
Диафоромиксис
Классическая генетика
эти грибы имеют некоторые общие черты. ,d8*naies. все 1. Отсутствуют специальные половые структуры. При половом процессе происходит слияние вегетативных гиф или гаплоидных баЗИДИОСПОр.
Размножение в природе исключительно или почти исключительно половое; даже при наличии вегетативного размножения половой процесс обязателен в жизненном цикле.
Сложная система генетической регуляции полового процесса.
Обычно для этих грибов употребляют введенные немецким микологом А. Книппом понятия о биполярном и тетраполярном гетероталлизме, подразумевая под первым два аллельных состояния одного гена (аналогично мукоровым грибам или рассмотренным выше аскомицетам), а под вторым — два состояния двух несцепленных генов. Однако главное отличие высших базидио- мицетов от ранее рассмотренных групп грибов заключается в том, что они имеют более двух аллельных состояний генов, контролирующих половую совместимость. Поэтому корректнее говорить не о би- и тетраполярном, а об одно- и двухфакторном гетероталлизме, подразумевая под первым наличие многих состояний одного фактора совместимости, а под вторым — много состояний двух факторов. Различия между ними заключаются в том, что при однофакториальной системе максимум инбредности (совместимых скрещиваний между сибсами — спорами из одного плодового тела) теоретически составляет 50 % (все потомки имеют факторы Ах или Ау), а при бифакториальной — 25% (базидиоспоры имеют факторы АхВх, АхВу, АуВх и АуВу).
Однофакториальная система у высших базидиомицетов всегда многоаллельна.Так, у Piptoporus betulinus в природе найдено 28 аллелей фактора совместимости, у Polyporus palustns J> Pomes cajanderi - 33. У головневых грибов встречается как мо факториальный димиксис (например, аллели al и Wo/acea), так и диафоромиксис (у 77toa md/ca монофакгориаль ный, у Ustilago maydis бифакториальныи).
Генетика и физиология бифакториального гетероталлизма подробно изучена у Schi<ophyllum commune. В генетические исследования этот вид был введен немецким микологом А. Книппом. Он установил, что за половой процесс ответственны два несцеплен- ных фактора — А и В, имеющие множество аллелей. В простейшем случае можно иметь 4 сочетания этих факторов в потомстве одного плодового тела: АхВх, АхВу, АуВх и АуВу. Согласно правилу Книппа ни один из аллелей не может формировать после кариогамии гомозиготу' (АхАх или ВхВх). Таким образом, из шести возможных сочетаний факторов совместимости к кариогамии могут привести лишь два — АхВх х АуВу и АхВу х АуВх.
После анастомозов между монокариотическими (с одноядерными клетками) гифами, имеющими разные аллели факторов спаривания А и В, ядра мигрируют в соседние клетки. Как установил Дж. Рэйпер, ядра из разных гиф мигрируют в противоположных направлениях. Скорость миграции зависит от температуры (при 23 *С — 1 мкм/ч, а при 33 ‘С — 6 мкм/ч). Миграция ядер требует растворения или разрыва парентосом, окружающих сложные по структуре долипоровые септы. Мигрирующие ядра из каждой гифы достигают апикальной клетки противоположного мицелия, где объединяются в гетерокариотическую (дикариотичес- кую) ассоциацию с ядром, находящимся в ней. Затем начинается серия морфогенетических изменений, включающая формирование выроста апикальной клетки (крючка, или пряжки), синхронное деление ядер дикариона, образование септы и миграцию несестринского ядра в субапикальную клетку с формированием дикариона. Многократное повторение этого процесса приводит к замещению гомокариотических (монокариотических) гиф гетерокариотическими (дикариотическими). Последние формируют более мощный, часто многолетний, мицелий с плодовыми телами.
Для изучения влияния факторов спаривания на морфогенетические процессы Дж. Рэйпер провел скрещивание гиф, имеющих разные комбинации:
V)A* В * (совместимые);
(полусовместимые);(полусовместимые);2)А*В = 3)А = В*
(полусовместимые);
(полусовместимые);
4)А = В (несовместимые).
Результаты скрещиваний показаны на рис. 55.
Таким образом, полный морфогенез требует различий по факторам А и В. При общих факторах А и В морфогенез не протекает; хотя гетерокарионы получить можно, они ограничены только анастомозирующими клетками и морфологически не отличаются от гомокарионов. При наличии разных факторов В и одинаковых А (А = В *) ядра нормально мигрируют до апикальной клетки, но 182
АхВхАхВхАуВхАуВу^jjyАхВхАхВхАуВхАуВу^jjyРис. 55. Влияние факторов спаривания А и Л на морфогенез SchizophyUum commune (по D.Moor, 1998).Тип спаривания не оказывает влияния на слияние гиф, которое происходит независимо от факторов спаривания взаимодействующих гиф. Возможно слияние конечных клеток гиф и кончика с одной или несколькими внутренними клетками А= 8= А= 8= А= 8=Рис. 55. Влияние факторов спаривания А и Л на морфогенез SchizophyUum commune (по D.Moor, 1998).Тип спаривания не оказывает влияния на слияние гиф, которое происходит независимо от факторов спаривания взаимодействующих гиф. Возможно слияние конечных клеток гиф и кончика с одной или несколькими внутренними клетками А= 8= А= 8= А= 8=KTi'iniemKTi'iniem
АхВхАхВх
АуВхАуВу^jjy
АхВхАхВх
АуВхАуВу^jjy
Рис. 55. Влияние факторов спаривания А и Л на морфогенез SchizophyUum commune (по D.Moor, 1998).
Тип спаривания не оказывает влияния на слияние гиф, которое происходит независимо от факторов спаривания взаимодействующих гиф. Возможно слияние конечных клеток гиф и кончика с одной или несколькими внутренними клетками А= 8= А= 8= А= 8=
Рис. 55. Влияние факторов спаривания А и Л на морфогенез SchizophyUum commune (по D.Moor, 1998).
Тип спаривания не оказывает влияния на слияние гиф, которое происходит независимо от факторов спаривания взаимодействующих гиф. Возможно слияние конечных клеток гиф и кончика с одной или несколькими внутренними клетками А= 8= А= 8= А= 8=
KTi'iniem
KTi'iniem
Слияние гиф
Тип спаривания нс оказывает существенного влияния на слияние гиф. К слиянию способны конечные клетки гиф, кончик с внутренней клеткой и внутренние клетки
дальше никаких морфогенетических процессов не происходит. Различие по фактору В приводит к разобщению энергии метаболизма, поэтому гетерокарион А = В * медленно растет, септы между клетками мицелия разрываются, выдавливая капельки протопластов. Такой фенотип назван flat (F).
При различии партнеров по фактору А (А * В =) не происходит ядерной миграции, вследствие чего часть морфогенетических изменений (образование пряжки, синхронное деление ядер, фор-
183
мирование септы) протекает в первичных анастомозировавших клетках, однако пряжка не сливается с примыкающей клеткой. Гетерокарион в этом случае ограничен двухъядерными слившимися клетками с пряжками, остальные клетки остаются одноядерными. Такой гетерокарион нестабилен и распадается на исходные гомокарионы, если его не поддерживать на селективных средах.
Из этих данных можно сделать вывод, что А и В являются регуляторными генами, которые включают экспрессию серии структурных генов. Фактор В регулирует растворение парентосом до- липоровых септ и миграцию ядер, а фактор А — последующий морфогенез.
Если из спорового порошка, осыпавшегося с одного плодового тела, выделить 10—15 моноспоровых изолятов и провести скрещивания каждого изолята со всеми остальными (Юх 10 или 15 х 15), то можно получить матрицу, в которой по наличию пряжек располагают совместимые комбинации (А * В *^ а по фенотипу flat — одну из полусовместимых (А = В *Y Анализ матрицы позволит выделить 4 тестера типов спаривания (АхВх, АуВх, АхВу, АуВу), с помощью которых можно определить факторы спаривания других штаммов того же вида, т. е. изучать пространственное распределение отдельных индивидуумов в природе, популяционное разнообразие и другие показатели (табл. 19).
Таким образом, если оба фактора тестерных штаммов, выделенных из двух плодовых тел, одинаковы, то из 16 гибридных комбинаций (скрещивания 4x4) только 4 (25 %) совместимы; если различаются оба фактора, то совместимыми окажутся все 16 комбинаций. При различиях по одному из факторов наблюда-
Таблица 19. Определение типов спаривания у штаммов высших базцдиомицетов
Неизвестный штамм
Типы спаривания тестерных штаммов
Тип спаривания неизвестного штамма
АхВх
АхВу
АуВх
АуВу
1
—
F
—
+
АхВх
2
F
—
+
—
АхВу
3
—
+
—
F
АуВх
4
+
—
F
—
АуВу
5
+
—
+
—
AzBy
6
+
+
4-
+
AzBz
Общие аллели
Го
Тестеры 2-п Дикариона
~АЗВЗ А4В4 АЗВ4 А4ВЗ
К.Todd, 1955) *dKT0Pwx грибов _
• сстсры Ь
_ мых комбинаций
16
_ А1В
+
+
+
+
+
1_ А2В2
+ + +
+
+
+
_ А1В2 + + + +
+
+
_ А2В]
+ +
+ +
1 1 (Л или 5)
АЗВЗ А/В4 АЗВ4 А1ВЗ
+ + + +
12
z^ооа а или оба В)
1 2 (А и В)
[з
А1ВЗ А2В4 А1В4 А2ВЗ
АЗВЗ А1В1 А1ВЗ АЗВ1
А1В1 А1ВЗ А2В1 А2ВЗ
+
+
+
+
+
4-
+
+
+ +
+
8
9
6
Г4
А1В1 А2В2 А1В2 А2В1
+
+
+
+
4
Таблица 20 Тиш.
Типы спаривания
ются промежуточные соотношения совместимых и несовместимых скрещиваний (табл. 20).
Оценку типов спаривания неизвестных штаммов могут облегчить предложенные А. Буллером ди-мон-скрешивания, при которых с выделенными монокариотическими тестерами одного изо- лята скрещивают не монокариотические тестеры другого изоля- та, а его дикариотический мицелий. При таких скрещиваниях ядра из дикариотичсского мицелия мигрируют в монокариотический и регулируют морфогенез в нем. Возможны следующие случаи ди- мон-кроссов:
совместимость, или полный морфогенез: (АхВх и AyBy) х х Л?Вг — нет общих факторов;
полусовместимостъ, или неполный морфогенез: (ЛдЛх и АуВхА х х АхВх — общие факторы монокариона и одного ядра дикариона;
. несовместимость или отсутствие морфогенеза: (АхВх и АуВу^ х Ах By — общие факторы в ядре монокариона и обоих ядрах дикариона.
Ди-мон-скрещивания в 4 раза уменьшают число необходимых кроссов по сравнению с мон-мон-скрешиваниями и не требуют выделения дополнительных тестерных штаммов из изучаемых плодовых тел, однако такие скрещивания не всегда дают четкие результаты.
' До сих пор речь шла не о генах, а о факторах несовместимости. Это обусловлено тем, что Папазян, а затем более детально Дж. Рэйпер описали сложную структуру факторов А и В Schizophyl- lum commune; каждый из факторов представлен двумя сцепленными локусами а и 0, которые рекомбинируют. Такое же строение имеют факторы несовместимости и у некоторых других тетраполярных базидиомицетов. Таким образом, имеются 4 гена половой несовместимости — Аа, Ар, Ва и Вр. Каждый ген представлен серией аллелей. Для обеспечения половой совместимости необходимо, чтобы партнеры имели разные аллели хотя бы одного гена (например, Аа1 ^ скрещивается с Ла2 р2, Аа1 р2 и Аа2 рь но не с А^ Р|). При наличии большого числа аллелей каждого гена такая система обусловливает огромное число различных состояний факторов спаривания в природе, которое можно подсчитать, пользуясь формулой Добжанского— Райта:
Р = 1/л + прР,
где Р — вероятность повторения фактора; п — число факторов; р* — варианса.
Поскольку аллели факторов несовместимости встречаются в потомстве с одинаковой частотой, показатель пр? очень мал, поэтому приближенно Р = \/п.
Пример расчетов. У биполярного трутового гриба Poria carpegiae из 18 плодовых тел, собранных в разных местах, выделено по 2 тестерных монокариона (Лх и Ау). Попарно скрестили друг с другом все 36 культур. В 630 комбинациях обнаружено 29 аллелей, из них 7 встречались более одного раза. Отсюда Р= 1/п = 7/630, п = 90.
Молекулярная генетика
У некоторых видов базидиомицетов факторы спаривания были клонированы, что дало возможность исследовать структуру и функцию их продуктов. Рассмотрим результаты подобных исследований на примере трех видов грибов — сапротрофов со сложным морфогенезом и плодовыми телами — Schzophyllum commune (порядок Aphyllophorales) и Coprinus cinereus (порядок Agaricales), а также фитопатогена Ustilago maydis (порядок Ustilaginales) с простым в связи с паразитическим образом жизни морфогенезом.
Schizophyllum commune и Coprinus cinereus
В-фактор. У S. commune, как указывалось выше, S-фактор разделен на 2 локуса аир. Отсутствие самосовмести мости у рекомбинантов свидетельствует о независимости информации, находящейся в а- и р-локусах (взаимодействуют генопродукты, контролируемые разными аллелями только а- или ^-локусов). Молекулярное картирование подтвердило это заключение. В каждом локусе находится кассета, состоящая из трех генов, кодирующих феромоны (гены bap 1-3, bpp 1-3) и одного гена, кодирующего рецептор феромона (bar, bbr) (рис. 56). Феромоны из кассеты Ba (bap) стимулируют активизацию рецептора, кодируемого аллельным геном Ba (bar), но не стимулируют собственный Ba-рецептор, а также любой рецептор из кассеты 5р. По-
commune
bapl(3) bap 1(2) bapl(l) barlbapl(3) bap 1(2) bapl(l) barlbbpl(3) bbpl(2) bbpl(l) bbrlbbpl(3) bbpl(2) bbpl(l) bbrl
bapl(3) bap 1(2) bapl(l) barl
bapl(3) bap 1(2) bapl(l) barl
bbpl(3) bbpl(2) bbpl(l) bbrl
bbpl(3) bbpl(2) bbpl(l) bbrl
Вр-локусВр-локусВа-локус
Вр-локус
Вр-локус
C. cinereus
phbl-11 phbl-1.1 кЫ.1 Iphbl-11 phbl-1.1 кЫ.1 Iphb2-ll phb2-l.l rcbllphb2-ll phb2-l.l rcbllphb3-2.1 phb3*l.l rcbllphb3-2.1 phb3*l.l rcbll
phbl-11 phbl-1.1 кЫ.1 I
phbl-11 phbl-1.1 кЫ.1 I
phb2-ll phb2-l.l rcbll
phb2-ll phb2-l.l rcbll
phb3-2.1 phb3*l.l rcbll
phb3-2.1 phb3*l.l rcbll
*—♦—•* |phbl-11 phbl-1.1 rcbl.l ।*—♦—•* |phbl-11 phbl-1.1 rcbl.l ।phb2-12 phb2-1.2 rd>12phb2-12 phb2-1.2 rd>12phb3-Z2 phb3-1.2 rcb3.2phb3-Z2 phb3-1.2 rcb3.2Подсемейство 1Подсемейство 1Подсемейство 3Подсемейство 3Подсемейство 2Подсемейство 2
*—♦—•* |
phbl-11 phbl-1.1 rcbl.l ।
*—♦—•* |
phbl-11 phbl-1.1 rcbl.l ।
phb2-12 phb2-1.2 rd>12
phb2-12 phb2-1.2 rd>12
phb3-Z2 phb3-1.2 rcb3.2
phb3-Z2 phb3-1.2 rcb3.2
Подсемейство 1
Подсемейство 1
Подсемейство 3
Подсемейство 3
Подсемейство 2
Подсемейство 2
Рис. 56. Структура В-факторов Schizophyllum commune и Coprinus cinereus(LA. Casselton, N.S.Olesnicky, 1998).
Ba- и Sp-подсемейства 5. commune протяженностью окаю 8 тыс. н.п., содержат по 4 гена: три (квадраты) кодируют предшественников феромонов и один (прямоугольник) — рецептор. Гены каждого подсемейства функционально независимы. Расстояние между подсемействами а и Р составляет окаю 3.5 единицы карты. В-фактор С. cinereus длиной 17 тыс. н.п. разделен на три функционально независимых подсемейства генов (2 гена феромонов и I ген рецептора). Показанные на рисунке факторы Вб и В42 колируют различные аллели в подсемействах 2 и 3.
а гены в подсемействе 1 одинаковые
лобным образом происходит активизация рецепторов феромонов в кассете 5р.
В отличие от 5. commune у С. cinereus 5-фактор спаривания имеет нс ЛВС. а три кассеты. Каждая кассета состоит из двух генов, кодирующих феромоны (/^Д-гены), и одного, кодирующего рецептор феромонов (гс/>-гены) (рис. 56). Взаимодействие генопродук- тов подчиняется тем же правилам: каждая кассета самодостаточна, причем взаимодействие осуществляется только при наличии разных аллельных состояний феромона и рецептора внутри любой кассеты (хотя бы одной).
Особенностью мицелиальных базидиомицетов является тот факт, что сигнальное действие феромонов инициируется только после слияния клеток, имеющих противоположный тип спаривания, т.е. феромоны нужны не для слияния, как у дрожжевых форм грибов, а для регуляции морфогенеза после слияния гиф. Комплементарные S-гены обеспечивают обмен и миграцию ядер. В конечной клетке под действием Л-продуктов происходят спаривание ядер, синхронные деления, инициация образования пряжки. Формирование септы индуцируют 5-продукты. Феромоны обоих видов образуются из белков-предшественников, имеющих одинаковый С-терминальный мотив — СааХ, необходимый для пренилирования (связывания с молекулой терпеноида), и после процессинга образующих молекулу феромона, состоящую из 9 — 15 аминокислот. Рецепторы феромонов С. cinereus содержат 7 трансмембранных доменов и гомологичны рецептору фактора а дрожжей Saccharomyces cerevisia (Ste-Зр). Рецептор спарен с гетеромерным G-белком и передает внутриклеточный сигнал через каскад MAP-киназы, заканчивающийся индукцией морфогенетических генов.
Л-фактор. У обоих видов физически разделен на а- и (3-локусы. У С. cinereus а-локус исходно имел одну (а), а (3-локус — две (Ь и (Г) пары генов, названных HD1 и HD2 в каждой паре. У разных природных штаммов один из любой пары генов может быть утрачен (рис. 57), что нисколько не отражается на способности к скрещиваниям и морфогенезу, ибо для протекания этих процессов необходимо взаимодействие продуктов любой пары аллельных генов (HD1 и HD2), как показано стрелками на рисунке.
Гетеродимеризация белков HD1 и HD2 происходит вследствие перекручивания спиралей в сверхспирализованных областях а-спирали белка. Несмотря на низкий процент гомологии белков и HD2 одной группы (а, b или 5), в N-терминальной области имеются последовательности, обеспечивающие димеризацию этих белков. У различных групп (а, b и d) эти N-терминальные специфичные области находятся в разных местах, что накладывает запрет на димеризацию белков из разных групп. Гетсродимс- ры являются факторами транскрипции, которые, связываясь 188
a
С. cinereus а-комплекс
—Р-комплскс
6-napa
б
С. cinereus
о-пара
^-пара
HD1
HD2
az
d\
аЬЗ >45
Аб
•У. commune
ЛаЗ
о2-3
61-4
62-4
dl-1
о2-1
/4а5
HD1
HD2
Z3
Y3
61-3
62-3
HD2
Рис. 57. Структура /4-факторов Schizophyllum commune и Coprinus cinereus (L. A. Casselton, N. S. Olesnicky, 1998).
a — архетип фактора A C cinereus содержит три пары дивергентно транскрибирующихся мультиаллсльпых генов (а, 6, с). Гены каждой пары кодируют два различных белка с индивидуальным гомсодомснным мотивом — HD1 и HD2. Первый кодирует белок размером около 680 аминокислот, второй — окаю 520. Толстая линия — гомологичные последовательности, фланкирующие идиоморфы и разделяющие их (расстояние между а- и р- подсемействами — 7 тыс. н.п.). Тонкая линия — негомологичные участки ДНК, которые препятствуют рекомбинации между генами. Гомсодомснныс участки генов заштрихованы: б — организация факторов Л5 и Аб С. cinereus. Образование гетеродимерных белков показано стрелками. Видно, что делетированне отдельных генов не препятствует формированию активных продуктов взаимодействия вследствие трехкратной взаимозаменяемости; в — Ла-фактор 5. соттиппе включает одну пару дивергентно транскрибируемых мультиаллсльпых генов HD1 и HD2, названных соответственно Z и Y (кодируют белки из 890 и 930 аминокислот). Фактор Ло5 содержит только один ген, но взаимодействие кодируемого им белка HD2 с HDI-белком илам ма, имеющего фактор ЯаЗ, обеспечивает образование активного гстеродимера и протекание морфогенеза, регулируемого фактором .4
HD1HD1HD2HD2HDIHDIHDHDС-терминальный конецС-терминальный конецДомен димеризацииДомен димеризацииСпецифические домены связывания с ДНК и узнавания белкаСпецифические домены связывания с ДНК и узнавания белкаВзаимодействие HD1/HD2Взаимодействие HD1/HD2Рис. 58. Схема димеризации факторов HD1 и HD2 и взаимодействия гстсродимера с ДНК (по D.Moor, 1998)Рис. 58. Схема димеризации факторов HD1 и HD2 и взаимодействия гстсродимера с ДНК (по D.Moor, 1998)Домен трансактивации (обогащенный серином, треонином и пролином)
HD1
HD1
HD2
HD2
HDI
HDI
HD
HD
С-терминальный конец
С-терминальный конец
Домен димеризации
Домен димеризации
Специфические домены связывания с ДНК и узнавания белка
Специфические домены связывания с ДНК и узнавания белка
Взаимодействие HD1/HD2
Взаимодействие HD1/HD2
Рис. 58. Схема димеризации факторов HD1 и HD2 и взаимодействия гстсродимера с ДНК (по D.Moor, 1998)
Рис. 58. Схема димеризации факторов HD1 и HD2 и взаимодействия гстсродимера с ДНК (по D.Moor, 1998)
с определенными участками ДНК, индуцируют экспрессию морфогенов. Сайты связывания с ДНК находятся в С-терминальной области (рис. 58).
Ustilago may dis
У возбудителя пузырчатой головни кукурузы U. maydis для прохождения полного цикла также необходимо слияние гаплоидных клеток, различающихся по факторам спаривания а и Ь. Головневые грибы отличаются от вышеописанных холобазидиомицетов, во-первых, отсутствием сложных морфогенетических процессов, в том числе образования плодовых тел, во-вторых, мицелиально-дрожжевым диморфизмом (гаплофаза представлена почкующимися клетками, дикариофаза — мицелием) и, в-третьих, облигатно-паразитическим существованием в дикарофазе. Полный жизненный цикл у U.maydis протекает только при гетероаллель- ности обоих факторов. При а=Ь=иа=Ь*не происходит даже плазмогамии, гаплоидные базидиоспоры размножаются почкованием (отсутствуют мицелиальный рост и патогенность), т.е. наблюдается полная несовместимость. При а * Ь = наблюдаются анасто-
мозы и обмены ядер, но обоа-тпиши™
пен. Поэтому было высказано^рсдположспиХ^мХ'^^ нечаст за дикариотизацию, а фактор Ь - за патогенность ° °Т' Генетическая структура факторов а и 6 также отличается от вышеописанном. Фактор а представлен только двумя Хелями ке. он аналогичен половым факторам димикспых аскомицстов'. Фактор Ь представлен несколькими десятками аллельных состоя- нии, но, поскольку внутри 6-фактора не обнаружено рекомбинации при скрещиваниях, он имеет более простую структуру' чем 6-факторы холобазидиомицетов.
Фактор а встречается в двух аллельных состояниях — а! и а2 (рис. 59). Он обеспечивает слияние клеток и поддержание мицелиального роста, но не патогенность. Аллельные состояния — не гомологичные идиоморфы длиной 4,0 и 8,5 тыс. н. п. Каждая иди- оморфа включает гены специфичных для клеточного типа феромонов (т/а) и рецепторов (рга); идиоморфа al — mfal и praf иди- оморфа а2 — mfa2 и pra2; mfal и mfa2 кодируют пептиды, состоящие из 40 и 38 аминокислот с последовательностью СааХ (у al — цистеин, валин, валин и аспарагин, у а2 — цистеин, лизин, изолейцин, аспарагин). Как говорилось выше, мотив СааХ служит для пренилирования предшественника (связывания геранилом или фарнезилом) при транспорте через мембрану. Зрелые молекулы al- и о2-феромонов, образующиеся после процессинга, — липо- пептиды, содержащие 13 и 9 аминокислот соответственно.
Рецепторы феромонов al и а2 — белки из 357 и 346 аминокислот соответственно. Они содержат области гомологии рецептора феромонов других изученных базидиомицетов, а также рецептора а-фактора Saccharomyces cerevisiae и М-фактора Sduto- saccharomyces pombe. Ген pral кодирует рецептор для «^«More, ген ага2 — рецептор для а/-феромона (см. рис. 51). Соединение феромона И рецептором приводит к диссоциации гримерного
alalpralpralU. maydis
al
al
pral
pral
mfal
a2
,„2 ""4«*^
al содержит два гена - -nfal.
рецептор. Фактор <"”T£ L ^*>HK"“W
ший рецептор), а также гены s^
G-белка и трансдукции сигнала через каскад МАР-протеинкиназ. Один из путей трансдукции сигнала приводит к мицелиальному росту дикариона и формированию белого пушистого воздушного мицелия (фенотип Fuz — от англ, fuzz — пух). Регуляцию мицелиального роста осуществляет активатор MAP-киназы МЕК, контролируемый геном fuz- 7.
Фактор b содержит два гена, названные ЬЕ (east — восток) и MF (west — запад). Поскольку фактор b диафоромиксный (пред-
bW4ЬЕ4bW4ЬЕ4АллсльЫ
bW4ЬЕ4
bW4ЬЕ4
Аллель Ь2
Аллель ЬЗ
Аллель Ь4
Рис. 60. Организация фактора b Ustilago maydis (Е. Spelling ct al., 1994).Рис. 60. Организация фактора b Ustilago maydis (Е. Spelling ct al., 1994).Процент идентичности
Рис. 60. Организация фактора b Ustilago maydis (Е. Spelling ct al., 1994).
Рис. 60. Организация фактора b Ustilago maydis (Е. Spelling ct al., 1994).
° ^P-^^P3 различных аллелей. Последовательности ДНК, соответствующие тср- оо^^’^н ла5тям белков bW и ЬЕ (константные области белков), имеют более " '"°™' Межгенный спсйсер, содержащий премоторный участок диверген- ирую1Ш<хся генов, и последовательности ДНК, кодирующие вариа- т ТсРминальнЫс области обоих белков, имеют 60 — 90% гомологии. Ал- бинаиим сииФи*,иис области обозначены разной штриховкой; б — возможные ком- ос ) из е”опрояуктои 6W и ЬЕ в совместимых скрещиваниях. Только две (в цент- ссти возможных комбинаций обеспечивают регуляцию развития
ставлен многими аллст ~
содержат вариабельный (в’ы-темт^™-^"^^ белки тный (в С-терминалыгой) участи в^п " обл“™> и констан- дится мотив, свидетельствующий о „Д Та11Т"ой области нахо- ся с ДНК) функции белков. Эти бслк7аит0РН0И (связь"»|ощсй- гетеродимеров, причем белок ЬЕ1 не «п»Д только в *°Рме ком bWI (рис. 60). В гетеродимерной top^^ С &л‘
й==й=^
Генетическая регуляция плодообразования
В культуре некоторые высшие базидиомицеты (Polyporus brumales Agro су be agerita и др.) формируют плодовые тела на монокарио- тичном мицелии. Они более мелкие, чем дикариотичные, часто уродливые, построены из мицелия без пряжек, в базидиях не происходят кариогамия и мейоз. Однако факт их образования свидетельствует о наличии помимо факторов спаривания морфогенетических генов, регулирующих плодоношение. Тем не менее, хотя плодообразование не всегда коррелирует с половым циклом, оно находится под его контролем. При скрещивании друг с другом монокарионов, дающих плодовые тела, плодоношение наблюдается только при гетероаллельности гибридов по факторам А и В. Таким образом, факторы спаривания контролируют весь морфогенез от слияния вегетативных гиф до плодоношения.
Исследование плодоносящих в монокариотической фазе жизненного цикла мутантов Agrocybbe agerita, проведенное в лаборатории немецкого генетика К. Эссера, позволило выделить два гена, контролирующих формирование плодовых тел — ft* и jb* Первый необходим для формирования плодовых инициалей, второй — для образования зрелых плодовых тел. Кроме того, как показано в исследованиях, проведенных с грибом Schizophyllum commune, имеется ген mod*', его присутствие репрессирует программу развития плодовых тел, вместо которых образуются бесформенные скопления мицелия (рис. 61). Для образования нормальных дика риотических плодовых тел необходимо, чтобы хотя бы один партнер (лучше, если оба) имел активные аллели генов >7 и А Пло довыс тела Coprinus cincreus также проходят дв </
ции. В темновую стадию формируются узелки пеР»”™^ "ф виде рыхлой сети. В темноте они превращаются 1в с^1^ свету агрегируют в шарики, в которых происходит лифферс
7 Дьякон
Рис. 61. Генетический контроль отдельных этапов формирования плодовых тел у Agrocybe agerita (F. Mainhardt, К. Esser, 1981)
ация в ножку и шляпку. У мутантов blend (слепые) отсутствует реакция на свет и уродливые плодовые тела формируются даже на свету'. За такой фенотип ответственны два гена — dst-1, dst-2. Первый гомологичен гену Wbite Collr (И^С-Т) — фоторецептор синего света у N. crassa (см. с. 160). За вытягивание ножки ответствен ген eln3-l, продукт которого — фермент гликозилтрансфе- раза. Уровень его транскрипции высок только в ножке.
До Профаза Мета- Профаза Тетрада Стеригмы слияния 1 анафаза I II ядерДо Профаза Мета- Профаза Тетрада Стеригмы слияния 1 анафаза I II ядерНезрелые спорыНезрелые спорыБазидиоспорыБазидиоспорыПереходПереходк рекомбинациик рекомбинацииspo-4, spo-5 spo-7, spo-16 spo-17, spo-22spo-4, spo-5 spo-7, spo-16 spo-17, spo-22spo-3 spo-1, spo-2 spo-6 spo-23 spo-8, spo-9 spo-19 spo-10, spo-11 spo-20 spo-12, spo-13 spo-24 spo-14, spo-15 spo-18, spo-21spo-25spo-3 spo-1, spo-2 spo-6 spo-23 spo-8, spo-9 spo-19 spo-10, spo-11 spo-20 spo-12, spo-13 spo-24 spo-14, spo-15 spo-18, spo-21spo-25Переходк мейозуПереходк мейозуПереходПереходПереходПереходк споруляции к созреваниюк споруляции к созреванию
До Профаза Мета- Профаза Тетрада Стеригмы слияния 1 анафаза I II ядер
До Профаза Мета- Профаза Тетрада Стеригмы слияния 1 анафаза I II ядер
Незрелые споры
Незрелые споры
Базидиоспоры
Базидиоспоры
Переход
Переход
к рекомбинации
к рекомбинации
spo-4, spo-5 spo-7, spo-16 spo-17, spo-22
spo-4, spo-5 spo-7, spo-16 spo-17, spo-22
spo-3 spo-1, spo-2 spo-6 spo-23 spo-8, spo-9 spo-19 spo-10, spo-11 spo-20 spo-12, spo-13 spo-24 spo-14, spo-15 spo-18, spo-21
spo-25
spo-3 spo-1, spo-2 spo-6 spo-23 spo-8, spo-9 spo-19 spo-10, spo-11 spo-20 spo-12, spo-13 spo-24 spo-14, spo-15 spo-18, spo-21
spo-25
Переходк мейозу
Переходк мейозу
Переход
Переход
Переход
Переход
к споруляции к созреванию
к споруляции к созреванию
Рис. 62. Гены, влияющие на прохождения мейоза и споруляциюCoprinus cinereus (по D. Moor, 1998)
нов" ^н'^ ^ ^~ '—— 1°мокарио- юший Р-пстлю, которая указывает на связке неклелт"07’ “Ме"
После того как голландский миколог Я
commune белки гидрофобины им стали упелат^к 1 описал У нис как морфогенетическим факторам. Гидрофобт™ - ю,зко" молекулярные гидрофобные белки, которые выделяются на по’ верхность гиф и кристаллизуются там в виде палочек Они обусловливают гифальные взаимодействия и, следовательно мооЛо- генез плодовых тел. У 5. commune в стадии мицелиального погруженного роста моно- и дикарионы образуют одинаковые гидрофобины. К началу формирования плодовых тел, в дикарионе син- тезируются 6 новых гидрофобинов вследствие экспрессии генов
~ Ген SC3 контролирует развитие воздушных гиф и прикрепление их к гидрофобной поверхности; гидрофобины, контролируемые генами SCI, SC4, SC6, влияют на развитие плодовых тел. Возможно, гены/? и Jb* контролируют синтез определенных гидрофобинов.
Фазоспецифичные гидрофобины обнаружены и у других бази- диомицетов. Например, ген fbhl, кодирующий синтез гидрофо- бина плодовых тел вешенки Fbhl (fruit body hydrophobin 1), содержащий 113 аминокислот, экспрессируется только в плодовых телах, но не в моно- или дикариотичном мицелии. Экспрессия гидрофобина ABH 1/НурА Agaricus bisporus ассоциирована с быстрым ростом шляпки плодового тела.
Наконец, большое число генов (spo-гены) влияет на протекание мейоза и формирование базидиоспор (рис. 62).
ЧАСТЬ III
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ГЕНЕТИКИ ПОПУЛЯЦИЙИ ЭВОЛЮЦИИ ГРИБОВ
Глава 6
ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМ РАЗМНОЖЕНИЯ
Система полового размножения определяет соотношение инбридинга и аутбридинга в грибных популяциях (табл. 21).
Как видно из таблицы, при отсутствии генетических систем половой совместимости (гомоталлизме) инбридинг и аутбри- динг одинаково вероятны, однако вследствие возможности са-
Табл и на 2 1. Влияние систем генетической несовместимостина способ размножения грибов
(G.Koltin ct al., 1972, с дополнениями)
Система несовместимости
Локусы (виды грибов)
Число аллелей
Потенциал
Ла
/1р
Ва
вр
инбридинга
аутбридинга
Отсутствует
(некоторые
100
100
(гомоталлизм)
виды Pythium, Phytophthora, Sordaria t/др.)
Однофакторная
Ла (многие оо-
2
50
50
и аскомицеты,
4
50
75
некоторые
10
50
90
Polyporaceac)
20
50
95
Ла Лр (Thana-
2
2
50-75*
75
thephorus сиси-
5
5
50-75
96
neris)
10
10
50-75
99
Двухфакгорная
Ла Bp (Ustilago
2
2
25
25
maydis)
5
5
25
64
10
10
25
81
20
20
25
90
Ла Лр Ва Вр
2
2
2
2
25-56*
56
(Schizophyllum
3
2
3
2
25-56
69
commune)
5
4
5
4
25-56
90
Частота инбридинга может повышаться вследствие рекомбинации между сцепленными а- и р-локусами факторов спаривания.
196
мооплодотворения дин гом.мооплодотворения дин гом.
мооплодотворения дин гом.
мооплодотворения дин гом.
инбридинг всегда прсобла, ает над аугбри
У однофакторных грибов в потомстве от
торы А1 и 712, эти факторы будут находит. ся н нссущих Фак’ ношении 4лэ^ ’^я в одинаковом соот-
яп “4Л2' Любая спора’ следовательно, совместима с
50% сиблингов, причем это не зависит от числа млельнысо стоянии фактора спаривания. Однако число аллельных состояний оказывает решающее влияние на потенциал аутбридинга т е на вероятность совместимости двух спор, происходящих от’разных родителем. При наличии двух аллелей шансы на аутбридинг и инбридинг одинаковы (50 %), но вследствие пространственного рас- положения спор инбридинг преобладает над аугбридингом. При возрастании числа аллелей (диафоромиксисе) потенциал аутбридинга резко увеличивается и уже при 10 аллельных состояниях достигает 90 %. Поскольку у всех исследованных базидиомицетов в природе встречается больше 10 аллелей, потенциал аутбридинга превышает 90 %.
Если фактор А состоит из двух компонентов (локусов а и Р), как, например, у гетеробазидиомицета Thanotephorus cucumeris (анаморфа — Rhizoctonia solani), то потенциал инбридинга может повыситься до уровня, определяемого частотой рекомбинации между локусами. Например, если в скрещиваниях участвуют факторы А\ (состоящий из al и pl аллелей) и /12 (также состоящей из а2 и р2), то рекомбинантные споры будут иметь факторы АЗ (al р2) и /14 (a2 pl), которые совместимы как с А1-, так и с /12-сиблингами. Если локусы а и р не сцеплены, то потенциал инбридинга возрастет до 75 %; в зависимости от степени сцепления он будет колебаться от 50 до 75 %. Зависимость частоты инбридинга от частоты рекомбинации можно рассчитать по уравнению
50% + РА -(^7Ю0), где Ра — частота рекомбинации между локусами. Однако небольшое увеличение вероятности инбридинга компенсируется ростом вероятности аутбридинга.?
У бифакториальных грибов кроссы между А51 и /42 5 дадут 4 состояния факторов спаривания у потомков (два рД’^ и два рекомбинантных), причем каждый тип потомк « только с одним из четырех (правило Книппа ^^ потен- образом, бифакториальная система ф нцнал аутбридинга. циал инбридинга. Однако она сн <-щлетя каждого фак-
В частности у в,ш^ "^^составляет 25 %,
тора, потенциал аутбридиша, * £ т0 вероятность аутори- Если каждый фактор »mcctQ? ‘ ОдНофакториальной системе динга возрастет лишь до 64 % ^'^мо распределение между 90 %). Чтобы достигнуть 90 /о, неооходими Р
двумя факторами 40 аллелей. Следовательно двухфакторная система менее эффективно, чем однофакторная, обеспечивает ауг- бридинг. но лучше ограничивает инбридинг.
Наибольший компромисс между ограничением инбридинга и обеспечением аутбридинга достигается при двухлокусной бифак- ториальной системе. Возможно поэтому она широко распространена среди ходобазидиоминетов. Если факторы двухлокусны, то потенциал инбридинга вследствие рекомбинации повысится с 25 до максимум 56 %. При сцеплении потенциал инбридинга ниже. Так, у Schizophyllum commune средняя частота рекомбинации по фактору А составляет 9,5 %, а по фактору В — 2,3 %. Это дает потенциал инбридинга 30,6 %. У 5. commune обнаружен генетический контроль рекомбинации внутри факторов спаривания. Он включает много генов, каждый из которых влияет на частоту рекомбинации в небольшой специфической области генома, причем гены, снижающие частоту рекомбинации, доминируют в дикарионе над своими аллелями, обеспечивая селективное преимущество низкой частоты рекомбинации над высокой. Вместе с тем при бифакториальной системе с двухлокусным строением факторов небольшое число аллелей дает большое число их сочетаний, что резко повышает потенциал аутбридинга. Например, при однолокусной бифакториальной системе для достижения потенциала аутбридинга, равного 90 %, необходимо 40 аллелей, а при двухлокусной — только 18. Таким образом, двухлокусная система обеспечивает наилучшие условия для перекрестного размножения и создания панмиксных популяций.
Таким образом, гомоталлизм дает 100 %-ю вероятность инбридинга и способствует переходу генома в гомозиготное состояние, а у гаплоидных видов гомоталлизм способствует виртуальной гомозиготности — снижению внугрипопуляционного полиморфизма. Гетероталлизм, напротив, способствует потоку генов между особями и интеграции популяций и вида в целом в единую систему. Сложные системы генетического контроля несовместимости (диафоромиксис, тетраполярность, двухлокусное строение факторов спаривания с возможностью рекомбинации между локусами) способствуют панмиксии. Поэтому в условиях, где необходима стабилизация адаптивных комплексов генов (стабильные внешние условия, стабилизирующий отбор), может происходить отбор на снижение рекомбинации, а в нестабильных условиях жизни, где необходима высокая вариация (адаптабельность), может идти отбор на ее увеличение. Изложенные выше сведения о механизмах регуляции полового процесса показывают, что у грибов имеются широкие возможности для развития в том или ином направлении.
Усиление роли рекомбинации, образование панмиксных популяций, интеграция клонов, популяций и вида в единую си- 198
Увеличение рекомбинации
Биполярный гетероталлизм. Поскольку мы не знаем, что было первичным - гомо- или гетероталлизм, наиболее вероятно допустить возможность многократных переходов между ними.
В 50-х гг. XX в. Л. Олив высказал гипотезу о возникновении локуса спаривания через систему нестабильного морфологического гетероталлизма (см. с. 168). Например, у сумчатого гриба Glomerella cingulate X. Вилер описал большое число природных мутантов, у которых нарушено прохождение отдельных этапов полового цикла — от формирования перитециальных инициален до прорастания аскоспор (рис. 63). Каждый мутант самостерилен, но может скрещиваться с неаллельным мутантом вследствие комплемента- ционной компенсации повреждений на стадии дикариона, т.е. имеет место гетероталлизм по определению Блэксли. Однако в потомстве таких гибридов могут возникать как гетероталличные штаммы (родительных типов), так и рекомбинантные. Последние могут иметь аллели дикого типа обоих поврежденных генов и быть гомоталличными самофертильными, или иметь оба мутантных гена и не скрещиваться с обоими родителями. Вследствие неравного кроссинговера могло произойти совмещение поврежденных генов в одном или двух тесно сцепленных локусах. Такие конструк-
Рис. 63. Этапы полового пикта У’“Хс^" прерывающие половой цикл (по H.E.Whccier.
нии в дальнейшем были поддержаны отбором в условиях, нс способствующих инбридингу, вследствие чего мог возникнуть биполярный диаллельный гетероталлизм.
В пользу данной гипотезы свидетельствует молекулярный анализ локусов спаривания.
Как было показано, «аллели» локуса спаривания не гомологичны по длине и нуклеотидным последовательностям. Возможно. они ранее были расположены в разных частях генома и объединены вследствие эктопической рекомбинации.
У некоторых сумчатых и базидиальных грибов обнаружены гомологичные локусу спаривания последовательности (кассеты) в отдаленных от него местах генома.
Фактор спаривания содержит несколько транскриптов, представляющих собой группу сцепленных генов, различающихся функциями.
Гены, составляющие фактор спаривания (за исключением генов, входящих в состав функционально независимых локусов а и р базидиомицетов), не рекомбинируют и расходятся в мейозе как один локус (представляют собой так называемые “холодные точки рекомбинации”). Например, гены та(2 и та(3 делящихся дрожжей Schizosaccharomyces pombe, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 тыс. н.п., рекомбинируют с частотой в 1000 раз меньшей ожидаемой при таком физическом расстоянии. Репрессия рекомбинации связана со структурой хроматина в /иа/-области.
Указанный выше механизм возникновения гетероталлизма подтвержден экспериментально (Lee et al., 2003). У гомоталличного гриба Gibberella zeae две идиоморфы — МАТ1-1 и МАТ 1-2 — находятся в одном геноме и сцеплены. Получены мутанты МАТ1-1/МАТ1-0и МАТ1-0/МАТ1-2. Они оказались самостерильными, но скрещивались друг с другом.
Тетраполярный гетероталлизм. Если считать, что биполярный гетероталлизм возник вследствие объединения группы генов, функционально связанных с половым циклом, то образование тетраполярного гетероталлизма может возникать, наоборот, вследствие пространственного разделения отдельных генов комплекса спаривания. Например, у тетраполярного головневого гриба Ustilago maydis факторы а и b содержат гены, несущие разные функции (см. с. 190—192), а у биполярного U. hordei эти группы генов объединены в один большой кластер с нетранслирующейся областью между ними, имеющей протяженность 500 тыс. н.п. в идиоморфе МАТ-1 и 430 тыс. н.п. в МАТ-2. Рекомбинации между ними крайне редки (порядка 105).
Морфологическая эволюция половых структур. Важную роль играют такие факторы, как увеличение размеров плодового тела, его продуктивности, способы защиты формирующихся мейоспор и способы их распространения.
Огромная продуктивность мсйоспоп
места формирования расстояния сложи ш uict'Lt “ ;''LleK"c от мости приводят к аутбоидинп/ и ‘” еис^ма несовмести- пуляц„йР В этих У=ловиТ™^^ П°- препятствовать панмиксису, поэтому у многих сумчатый бз™ анальных грибов - макромицстов - анаморфы нё и™^ ^„"’ шои роли или вообще отсутствуют. играют ооль-
Снижение рекомбинации
Инбридинг. Инбридинг у грибов может достигаться разными путями, обеспечивающими переход гетероталлизма в гомоталлизм.
Истинный гомоталлизм. Среди аскомицетов гомоталлизм встречается очень часто. Его генетический контроль можно проиллюстрировать на примере рода Neurospora, в котором есть гомо- и гетероталличные виды. После того как были клонированы факторы спаривания N. crassa, их использовали в качестве проб для анализа наличия соответствующих последовательностей ДНК у разных видов Neurospora и родственных родов (табл. 22).
Из таблицы видно, что только у одного гомоталличного вида, N terricola, в геноме имеются оба фактора спаривания, т.е. обеспечено объединение функций двух родителей, остальные виды этого рода имеют только фактор А, который, следовательно, обеспечивает весь половой морфогенез. Почему он не может быть обеспечен штаммами гетероталличных видов, имеющих фактор matA, неизвестно. Возможно, для этого необходимы еще какие-то последовательности ДНК, отсутствующие у гетероталличных видов. Например, у гомоталличного вида Podospora se/oso нарядус сцеп- ленным кластером генов FPR1, FMRI, SMR1 и SMR2 (факторы
Таблииа 22. Регуляция полового процесса у видов семейства
Sord^riaceae (V.Glass ct al., 1990)
Виды
Идиоморфы
Виды
Идиоморфы
Гетсроталл ичные:
Neurospora crassa
N. sitophyla
N. intermedia
Пссвдогомоталличныс:
N. tetrasperma
А или a
A + a
Гомоталл ичные:
N. terricola
N. africana
N. dodgei
N. galapogensis Gelasinospora spp. Sordaria spp.
Aa A A A
Aa
201
А и а), обнаружены 3 нссцепленные копии, гибридизирующиеся с FRP1. '
Переход от гетеро- к гомоталл изму может быть обеспечен селективной гибелью одного типа гамет. Так, в популяциях головневого гриба UstUago violaceae, поражающего Silena alba, большинство телиоспор формировали споридии только одного типа спаривания — al. Половой процесс у них осуществлялся конью- гацией соседних клеток промицелия (фрагмобазидии) через мицелиальные мостики. Формирующиеся гомокариотические дикарионы могли заражать завязи смолевки. По-видимому, фактор спаривания а2 сцеплен с рецессивной деталью и элиминируется, а отбор таких конструкций обусловлен более высокой инфск- ционностью и патогенностью гомоаллельных по локусу спаривания дикарионов.
Псевдогомоталлизм. В его основе лежит образование не одного, а двухъядерных мейоспор, причем вследствие неслучайной ориентации веретена в одну спору попадают ядра, гетероаллельные по типу спаривания, т.е. уже в споре образуется гетерокариотический дикарион. У аскомицетов описаны два механизма, обеспечивающие попадание в аскоспоры ядер с противоположными аллелями локуса спаривания. У Neurospora tetrasperma mat локус, находящийся на хромосоме I, сцеплен с центромерой и сегрегирует, как и у N. crassa, в первом мейотическом делении. В двух последующих делениях у N. tetrasperma веретена деления располагаются параллельно друг другу, тогда как у N. crassa они расположены тандемно (см. рис. 47). Поэтому несестренские ядра у N. tetrasperma располагаются близко друг от друга в каждой половине аска и соответственно обособляются в 4 аскоспоры. В родах Podospora и Gelasinospora у псевдогомоталличных видов факторы спаривания сегрегируют во втором делении, два веретена располагаются тандемно, и ядра с противоположным типом спаривания ассоциируются в пары в каждой половине аска. В третьем делении у всех видов веретена разделяются на две отдаленные друг от друга пары, причем у Gelasinospora пары веретен ориентированы параллельно стенке аска, а у Neurospora и Podospora — поперек аска (рис. 64).
Псевдогомоталлизм приводит к высокой степени инбреднос- ти и, следовательно, к внутригеномной рекомбинации. А это, в свою очередь, должно вызвать возникновение гомозигот по факторам спаривания, т.е. к потере гомоталлизма. С использованием полиморфизмов ДНК в качестве генетических маркеров была подтверждена высокая степень гомозиготности по всем хромосомам N. tetrasperma, кроме хромосомы, на которой расположен локус спаривания, — генетические маркеры этой хромосомы были в основном гетерозиготны. Следовательно, у N. tetrasperma имеется генетический запрет на рекомбинацию генов, сцепленных с mat- 202
Neurospora tetraspermaNeurospora tetraspermaPodospora anserinePodospora anserineРис. 64. Ориентация всрстсн деления ядер у двух псевдогомоталлич- ных аскомииетов — Neurospora tetrasperma и Podospora anserina. Объяснения см. в текстеРис. 64. Ориентация всрстсн деления ядер у двух псевдогомоталлич- ных аскомииетов — Neurospora tetrasperma и Podospora anserina. Объяснения см. в тексте
Neurospora tetrasperma
Neurospora tetrasperma
Podospora anserine
Podospora anserine
Рис. 64. Ориентация всрстсн деления ядер у двух псевдогомоталлич- ных аскомииетов — Neurospora tetrasperma и Podospora anserina. Объяснения см. в тексте
Рис. 64. Ориентация всрстсн деления ядер у двух псевдогомоталлич- ных аскомииетов — Neurospora tetrasperma и Podospora anserina. Объяснения см. в тексте
локусом. Отсутствие рекомбинации в этой области продемонстрировано тетрадным анализом гибридов (в потомстве наблюдали только родительский дитип) и цитологически (на стадии па- хитсны у N. tetrasperma наблюдали большой неспаренный сегмент в центре самой длинной хромосомы, концы которой нормально спарены). Общая длина нерекомбинирующсгося сегмента равна примерно 120 единиц карты, что составляет 50—60% от всей длины хромосомы 1 (200 единиц карты) и 10 % от всего генома, составляющего примерно 1000 единиц карты. Таким образом, хромосома 1 ведет себя как половая хромосома животных.
Так же подавлена внутрихро- мосомная рекомбинация и у псевдогомоталличного базидио-
мицета — культивируемого шампиньона Agaricus bispoms (табл. 23).
Описанные аско- и базидиомицеты алсфиталличны, ибо у них наряду с двухъядерными гомоталличными мейоспорами в сумках и на базидиях в небольшом проценте формируются одноядерные гстероталличные. В первом случае спора при прорастании сразу формирует гетерокариотический мицелий с плодовыми телами на нем, во втором случае необходимо слияние потомства одноядерных спор. Исследования, проведенные в процессе селекционной работы с шампиньоном, показали, что гомоталличные
Таблица 23. Соотношение гомо- и гетерозигот у мейотического (базиднослорового) потомства A. bisporus (R. Rouse, В. May, 1982; R.SummcrbcII ct al., 1989)
Изофсрментиые маркеры
RFLP- маркеры ДНК
GTP 3/149
РАОЗЗлЮ - 0/279
MPI -0/78
PAG4«6 - 1/79-
PEP-1 -6/149
PAG4/i27 - 1/357
ADH - 5/76
РАСЗЗл25 — 2/106J
споры формируют на агаровых средах медленно растущие колонии, нс способные оккупировать естественные субстраты, имеют пониженную жизнеспособность и не могут длительно существовать в природе, т.е. отбор у этого вида направлен на поддержание псевдогомоталлизма.
Интересные переходы в ядерном статусе описаны у комплекса Armillaria (осенний опенок). Большинство видов этого комплекса утратили стадию дикариона и после слияния гиф первичного мицелия формируют не двухъядерные клетки с пряжками, а клетки с одним диплоидным ядром без пряжек, т.е. вслед за плазмогамией протекает кариогамия, а стадия дикариона утрачена. У некоторых видов (A. gallica) кариогамия и мейоз протекают в жизненном цикле дважды: в гифах субгимения диплоидные ядра, как бы «вспомнив», что в базидии должна быть кариогамия, делятся мсйотически, образуя двухъядерные клетки с пряжками. В базидии, как это бывает обычно, ядра сливаются и делятся мсйотически с образованием четырехгаплоидных одноядерных спор. У европейских штаммов A. mellea этот атавизм отсутствует, и диплоидное ядро переходит в базидию, где делится мейотичес- ки с образованием четырех гаплоидных спор. У обнаруженных в Японии штаммов A. mellea гаплоидные ядра базидии после мейо- за попарно сливаются и в базидиоспоры переходят одно или два диплоидных ядра. Таким образом, японские штаммы опенка вторично гомоталличны и строго инбредны.
Кассетный механизм переключения типов спаривания — еще один способ снижения рекомбинации. Он описан у дрожжей Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe, а также у ба- зидиомицетов Agrocybe aegerita и Agaricus campestris. Он обеспечивает половой процесс внутри односпорового потомства, т.е. го- моталлизм.
Агамность. Агамные грибы лишены полового процесса. Их возникновение может быть результатом популяционных или генетических процессов.
Популяционные процессы приводят к потере и пространственному разделению штаммов гетероталлических видов, имеющих разные аллели локуса спаривания. Популяции теперь представлены только одним типом спаривания, а размножение — вегетативным, т.е. клональным. В основе пространственного разделения локусов спаривания могут быть как случайные процессы (дрейф генов), так и отбор.
Примером дрейфа может быть панглобальное распространение штаммов Phytophthora infestans, имеющих тип спаривания А1. Молекулярные исследования популяций возбудителя фитофтороза картофеля, распространенных в разных странах, показали, что длительное время всюду встречался только один клон, случайно попавший в США и Европу в середине XIX столетия из Мскси- 204
ки. Жизненный цикл
ций бесполого размножен °°мицета включал песков
ЛИЯ в клубнях зимой и я Лстом На листьях И лько ГСИсРа- иитснсивным экспоптп Только в конце XX в в F/имопку м»ие- Н..Я и стали находить по'ювые споо,^ °®а ^ “парии Примером отбора может п^ Р (оосп°РЫ).Р
и S в популяциях возбудителяЬ“'’т"ошс"ис типов спаривания мицета Ophiostoma ulmi. Неаг^сс”^ б°лсзни -^вТско ют соотношение, близкое к Му" ШТаммы этого П>иба име- 85 % изолятов имеют тип В, который К"""" штаммо» свыше ственно вегетативное размнож™шс ат£^^^ Преимуще- ловленное асимметричным оаеппрл^ ° ИВНЫХ штаммов, обус-
ют опыты по гибридизации пни Л °б 1 свидетельству- морфного рода s’ipoiarii■ Возбуд^вмо= »-
кукурузы В. maydis имеет сумчатую сшит Т^ьг^ТТ034 strophus. Идиоморфы локуса спаоиван^т^ ^^е" httero" ях с°ДНК " ИСд0ЛЬ30ваны в качестве пробы в блот-габрвдизгши- ях с ДНК морфологически близкого, но не имеющего семгой стадии (несовершенного) гриба В. sacchari, возбудителя пятнистости листьев сахарного тростника. Оказалось, что штаммы выделенные из одной популяции, имеют mat-1 или mat-2 те в одной популяции встречаются носители обоих типов спаривания. Однако гетероаллельные штаммы при совместном росте на питательных средах или на растении не формировали псевдотециев. Локус mat-2 переносили из штамма В. maydis в штамм С. hetero- strophus, у которого свой локус был делетирован. Штамм с такой конструкцией скрещивался с штаммами того же вида, имеющими противоположный тип спаривания, и формировал псевдоте- ции. Следовательно, асексуальность В. sacc/tan обусловлена дефектами не в локусе спаривания, а генах, контролирующих последующие этапы полового цикла. Возникновение таких дефектов, возможно, проходило следующие этапы (J.F. Leslie, К. К. Klein. 1996).
Большинство аскомицетов — гермафродиты, причем мужскими гаметами у них часто служат конидии. Благодаря двойственной роли мужских гамет (оплодотворение трихогины и бесполое размножение) мутанты, потерявшие их, нежизнеспособны. Однако мутации, вызывающие дефекты в синтезе женских половых структур, не снижают жизнеспособности в стадии анаморфы. и даже энергетически выгодны (питание не тратится на формирование ненужных структур). Поскольку у женских штаммов протекает сложный морфогенез, контролируемый большим числом ге-
Табл и и а 24. Наследование скорости мицелиального роста у гибридов (С. Cnten, J. Jinks, 1976)
Кроссы
Среднее в генерациях
Компоненты
PI
P2
F
I mJ
Ml
Schizophyllum commune
LI х HI
97,00
56,00
77,23
76,50
-0,73 ± 1,56
LI x H2
104,50
54,75
81,12
79,62
-1,49 ± 1,55
L2 x HI
101,00
53,50
75,78
77,25
+ 1,47 ±2,50
L2 x H2
106,50
44,50
77,32
75,50
+ 1,85± 2,76
Emericella nidulans
9 x 43
6,70
5,80
5,28
6,25
+0,97 ±0,17
37 x 114
4,80
4,20
4,04
4,50
+0,46 ±0,16
Примечание. Pl и Р2 — родительские штаммы; F — гибриды; [/и] — аддитивная варианса (среднее между родителями); р] — эпистаз.
нов, подобные мутации возникают часто, в связи с чем природные штаммы многих аскомицетов состоят из смеси мужских и гермафродитных штаммов. Вследствие дрейфа или отбора возможно появление популяций, которые полностью потеряли способность к формированию перитециев.
У анаморфных грибов потеря полового процесса, как у псев- догомоталличных, — потеря гетероталлизма, поддерживается отбором. Это наглядно видно из опытов по гибридизации панмикс- ного базидиомицета Schizophyllum commune и аскомицета Emericella nidulans (анаморфа Aspergillus nidulans), эволюционирующего по пути утраты полового процесса (табл. 24).
Из приведенных данных видно, что гибридное потомство штаммов 5. commune имеет средние показатели между родителями (основной вклад в вариацию вносит аддитивность), а у Emericella (Aspergillus) nidulans скорость роста потомства ниже, чем даже у медленнорастущего родителя (достоверно наличие эпистаза), т.е. отбор направлен против гибридов.
Экологическая роль систем размножения
По-видимому, преобладание той или иной стратегии размножения связано с условиями жизни популяции. В гетерогенных условиях, где решающее условие для сохранения популяции имеет не специализация, а широкий размах изменчивости, преимущества имеют половые популяции, в которых создается разнообразие генотипов. В гомогенных условиях отбор оперирует в направ-
лении высокой приспособленности именно , ■
к специализации. снижению вариаб , ^ яич ^«'ям.т.е. способной разрушить адаптивные комп^г! " рскочбинании, ценозах фитопатогенные грибы встречаются с пеТ*1' ' 8 аГро' мися по сравнению с природными rhu^ Р ко измс"ивши- ни. Во-первых, скоплен” ь™±УСЛ0ВИЯМИ
приимчивости растений-Хозяев п™™ Л одииаковы* по вое- личению емкости среды „ повышению я ЗНа"итсльному уве- r-отбора. Генетическая рекомбинация семействТонов частой ловится эволюционно невыголнпй Поп ~ клонов часто ста- -ый=~™~^^
нием устойчивого сорта), могут обеспечивать мутации, всегд“присутствующие в огромных по численности по^ляцйях ВоХ рых, культивируемые растения по сравнению с дикорастущими находятся в более стабильных условиях, причем у многих изменился жизненный цикл. Например, осенний посев озимых злаков дает возможность всю зиму сохраняться под снегом зеленым частям растений, на которых сохраняются их паразиты. Хранение посадочных клубней, корнеплодов, луковиц создает новые комфортные условия для зимовки ряда паразитов.
Все это изменило роль половой генерации в жизненном цикле ряда грибов: у некоторых (возбудитель мучнистой росы злаков Erysiphe graminis) она сместилась с зимнего на летний период, у других вообще выпала из жизненного цикла (многие ржавчинные грибы, мучнистая роса винограда, фитофтора картофеля, а в некоторых зонах — мучнистая роса и парша яблони, мильдью винограда). Зимовка этих грибов осуществляется в мицелиальной фазе на озимых растениях, хранящихся вегетативных органах или в почках древесно-кустарниковых пород.
По-видимому, изменения условий жизни, связанные с сельскохозяйственной деятельностью, наложили отпечаток на систему размножения не только фитопатогенных, но и сапротрофных грибов. Так, культивируемый шампиньон Agaricus bisporus является псевдогомоталличным видом, тогда как дикорастущие виды рода гетероталличны. Вне культивационных помещений A. bisporus обычно находят на частично перепревшем навозе животноводческих Ферм причем анализ молекулярных маркеров показывает что часть штаммов ушла из культуры. Однако под ^«рисами в калифорнийской пустыне Сонора был обнаружен большой м- пас поопагул A bisporus с четырьмя одноядерными спорами на =Ь=ч=^ скрещиваются с двухспоровыми, т.е. ртибч были четы-
Можно полагать, что исходные ш™^ рехспоровыми, но в стабильных }ело . штаммов и по- субстрате произошли отбор псевдо!омоталличных шта.
АскомнцстыАскомнцстыБаз идиом ицстыБаз идиом ицстыРис. 65. Эволюция систем размножения в разных группах грибов.Рис. 65. Эволюция систем размножения в разных группах грибов.Горизонтальные стрелки указывают на направление эволюции в сторону увеличения рекомбинации, вертикальные стрелки — в сторону уменьшения рекомбинацииГоризонтальные стрелки указывают на направление эволюции в сторону увеличения рекомбинации, вертикальные стрелки — в сторону уменьшения рекомбинации
Аскомнцсты
Аскомнцсты
Баз идиом ицсты
Баз идиом ицсты
Рис. 65. Эволюция систем размножения в разных группах грибов.
Рис. 65. Эволюция систем размножения в разных группах грибов.
Горизонтальные стрелки указывают на направление эволюции в сторону увеличения рекомбинации, вертикальные стрелки — в сторону уменьшения рекомбинации
Горизонтальные стрелки указывают на направление эволюции в сторону увеличения рекомбинации, вертикальные стрелки — в сторону уменьшения рекомбинации
давление рекомбинации (кстати, маркеры, не рекомбинирующие у двухспоровых штаммов, нормально рекомбинируют у четырехспоровых). Хотя четырехспоровость у гибридов доминирует над двухспоровостью, гомокариотические изоляты, случайно возникающие из одноядерных спор двухспоровых штаммов, нежизнеспособны и элиминируются.
В разных группах грибов снижение роли рекомбинации достигается различными путями (рис. 65). Возможно, это обусловлено следующими причинами.
Адаптивная роль половых и вегетативных структур. Гомо- талличные и псевдогомоталличные виды Neurospora распространены на границах ареала, где плотность популяций, а, следовательно, и вероятность встречи партнера с противоположным типом спаривания низкая. Обычные места обитания этих грибов — обгоревшие после пожара травянистые фитоценозы. Наиболее устойчивы к высокой температуре аскоспоры, поэтому эволюция привела не к агамности, а к гомоталлизму. Также редки агамные виды у мукоровых, где половые структуры (зигоспоры) служат для перенесения неблагоприятных условий жизни. У аскомице- тов, которые переносят неблагоприятные условия в виде мицелиальных структур, таких, как склероции (например, Botryotinia), утрата полового процесса наблюдается гораздо чаще.
Особенность эволюции отдельных таксонов. Эволюция в сторону потери рекомбинации у димиктичных сумчатых грибов гораздо чаще заканчивается агамностью (большинство несовершенных грибов генетически связаны с аскомицетами), нежели у ди- афоромиктичных базидиальных. Для последних редки не только потеря полового процесса, но даже истинный гомоталлизм. Можно полагать, что в этой группе грибов эволюция полового процесса зашла настолько далеко, что анаморфы вообще потеряли функ- 208
цию размножения. Как было показано выше, потеря одного типа спаривания у головневого гриба привела нс к потере полового процесса, как у оо- или аскомицетов, а к гомоталлизму, ибо ди- кариотизация головневых грибов необходима для мицелиального роста и патогенности.
Доминирующая жизненная стратегия. Как показал С. Брей- зер, потеря половых структур характерна для более рудеральных г-стратегов, чем для стресс-толерантных К-стратегов. Большинство несовершенных грибов произошло от сумчатых, которые представляют собой в массе гаплоидных r-стратегов. Дикариотич- ные базидиомицеты имеют большую забуференность генетических систем и тенденции к ^стратегии, поэтому они чаше не теряют половые структуры, а переходят к псевдогомоталлизму.
Глава 7
ГЕТЕРОКАРИОЗ И ВЕГЕТАТИВНАЯ НЕСОВМЕСТИМОСТЬ
ГЕТЕРОКАРИОЗ
Как было описано ранее (ем. гл. 1), мицелиальные грибы имеют общее свойство: при физическом контакте происходит слияние их клеток (анастомозы гиф). Поскольку грибные гифы покрыты многослойными оболочками, слиянию предшествует локальное растворение клеточных стенок. Возможно, это свойство первоначально возникло вследствие необходимости слияния лишенных гамет вегетативных структур у грибов. Предполагается также, что в основе анастомозов был микопаразитизм, при котором описаны как гаусториальный, так и негаусториальный типы слияния.
Анастомозы гиф играют важную роль в адаптациях грибов к условиям жизни. Если слившиеся клетки содержат генетически различные ядра, то при анастомозах они попадают в общую цитоплазму (явление гетерокариоза). Митозы обеспечивают пролиферацию разных аллельных состояний отдельных генов в гетерокарионе. У грибов с гаплоидными ядрами гетерокариоз заменяет диплоидность, ибо в гетерокариотической клетке фенотипически выражаются те же аллельные отношения (доминатные, рецессивные, кодоминантные), что и в гетерозиготной. Однако между гетерокариозом и гетерозиготностью есть ряд отличий.
В гетерокариозе аллельные гены и их транскрипты пространственно разделены, ибо находятся в разных компартментах, разделенных ядерными оболочками (ядерно-лимитированный контроль). Поэтому рецессивные мутации, комплементирующиеся в диплоидах, не всегда комплементарны в гетерокарионах, хотя бы вследствие того, что взаимодействующие генопродукты не достигают в цитоплазме необходимой критической концентрации вследствие диффузии из разных мест. Известны и более сложные ситуации. Например, ген-модификатор (mod) не модифицирует устойчивость или чувствительность Coprinus cinereus к р-фторфе- нилаланину, обусловленные аллелями pfpR и pfr5, в гомокарионе и гетерозиготном диплоиде, но модифицирует ее в гетерокарионе. Возможно, модификатор влияет на цитоплазматический комплекс генопродуктов в цитоплазме, но не в ядре.
У большинства грибов число ядер в клетках не фиксировано, поэтому соотношение аллелей может отклоняться от 1 1. Это может приводить к широкой вариации фенотипов, обуслов- 210
ленной соотношением ядер. Напримсо .
отношения ядер я гетерокарионе на фенотип v ZZZ^ з/«™« получали гетерокарионы с фиксирован.^ ч ^ между бесцветными, чувствительными к антибиотике S ^А Р краснопигментными устойчивыми к антибиотику (red dZ штаммами (табл. 25). Как видно из таблицы, мутация по устойчивости полностью доминантна и почти нс зависит от соотношс- ния гетероаллельных ядер, в то время как пигментная мутация дает широкую вариацию в окраске в зависимости от соотношения ядер.
Если изменение условий жизни сопровождается изменением соотношения ядер, контролирующих адаптивные признаки, то этот процесс может обеспечить быструю адаптацию гриба к изменяющимся условиям без изменения ядерных геномов (мутаций, рекомбинаций и т.п.). Поэтому гетерокариоз рассматривался как «гибкий механизм физиологической адаптации, суть которого заключается в количественных изменениях качественно фиксированного множественного генома» (Р.Станиср, 1956).
У дрожжей-сахаромицетов было обнаружено явление скрытого гетерокариоза, при котором гетерокариотические клетки показывают фенотип, обусловленный генами только одного ядра, а второе ядро, даже имеющее доминантные по отношению к первому гены, находится в скрытом состоянии (О. В. Невзглядова с соавт., 2000). Полагают, что это вызвано низкой частотой деления ядра, которое переходит лишь в небольшое число клеток почкующейся популяции. Однако при определенных условиях (состав питательной среды и др.) возможны накопление и фенотипическая визуализация скрытых ядер в популяциях. Авторы полагают, что «обнаруженное явление скрытого гетерокариоза встречается и у других эукариот и представляет некое фундаментальное свои-
Табл и на 25. Тест еа доминантность у текроириоко. Р. Ы<*с1«<иив (М. Delbruck, Т. Ootaki, 1979)
% ядер red dor*
Цвет колонии
Устойчивость
0Белый
Чувствителен
шБело-желтый чумтштслсн
25
Палево-желтый
Чувствителен
47
Желтый
Чувствителен
Чувствителен
75
85
91
Темно-желтый
Оранжевый
Красный
Получувствителен Пол чувствителен
100
Красный _
У СТОИМив
211
ство живого, позволяющее ему адаптироваться в критических условиях. в которых действие ранее молчащего ядра может оказаться решающим».
У многих грибов гетерокариоз сопровождается редкими слияниями ядер в вегетативных клетках и образованием гетерозиготных диплоидных ядер. После попадания такого диплоидного ядра в спору возникает диплоидный клон, в ядрах которого может протекать генетическая рекомбинация вследствие парасексуального процесса (см. выше). Наконец, анастомозы между гифами с последующей миграцией ядер приводят к исчезновению внутрипо- пуляционных единиц — индивидуумов, клонов — и интеграции их в единую сеть мицелия, что также усиливает адаптационные возможности. Например, росток одной споры фитопатогенных грибов из родов Botrytis и Fusarium не может пробиться через растительные покровы: для формирования апрессория и внедрения необходимы анастомозы на поверхности листа и амплификация ядер.
Описанные представления о роли гифальных взаимодействий сложились на основании исследований, проводимых с генетическими маркированными лабораторными штаммами грибов. Как только началось изучение большого числа выделенных из природы штаммов, оказалось, что большинство изолятов при попарном посеве не формирует гетерокарионы вследствие вегетативной несовместимости. Поскольку вегетативная несовместимость препятствует формированию гетерокарионы со всеми описанными выше их адаптационными преимуществами, наличие сильного естественного отбора в пользу несовместимости заставило обратить внимание как на сам феномен несовместимости, так и на его эволюционные последствия.
Вегетативная несовместимость
Генетика вегетативной несовместимости
Вегетативная несовместимость проявляется при наличии у двух штаммов разных генов, ответственных за совместимость. Таким образом, она диаметрально противоположна половой совместимости, для проявления которой необходима гетероалл ел ьность по генам совместимости. Поэтому вегетативную несовместимость немецкий генетик К. Эссер назвал гетерогенной, а половую — гомогенной. Она обнаружена во всех группах грибов.
Л/а-идиоморфы. Исследования генетики вегетативной несовместимости впервые были проведены с грибом Neurospora crassa, у которого давно было обнаружено, что штаммы, относящиеся к разным типам спаривания, не формируют при совместном выра- 212
щипании гетерокарионов. Более того в тош- v лониями таких штаммов обнаружив^ „между ко
ванных мертвых клеток (барраж) т иёгюё°;'ОС'' "3 |,акУ°-"<зиро- контакта, окрашиваются в 11нтс11сйш1ыТот. Р*^^^ к ™нс ку не выделено ни одной пекомНи ^ оР™*с»ь1и Цвет. Посколь- у которых локус спаривания мт^ КуЛЬТуры " гн6Р»^х. фланкирующими локусами, был сдел^вы'в^о ^ ^'пму^гш^Г^Рош,лсльностью по лмХ
между гетероаллельными по типам спаёи”штаммТ рь были стерильны. Они формировали протоперитеции с три- хогинои (следовательно, /шм-гены не контролируют образование префертилизационных женских структур), однако нс экскретировали феромоны. Как показано ранее (см. с. 176), фактор mtA содержит три гена, а фактор mta — один. Последовательности, требующиеся для вегетативной несовместимости и фертильности, находятся в рамках считывания mta-1 и mtA-1. Оба гена кодируют регуляторы транскрипции, содержащие связывающийся с ДНК домен. Делеционным анализом удалось эти функции (несовместимость и фертилизация) разделить. Продукты мутантных генов не утратили способности связываться с ДНК. Следовательно, белки МАТ-А и Mat-a полифункциональны и благодаря наличию области, богатой повторами лейцина (LRR — leucine rich repeat) и алифатической альфа-спирали взаимодействуют друг с другом и с другими белками. Один из них — белок Tol (tolerance), протяженностью 1011 аминокислот. Взаимодействие с ним обеспечивает гетерокари он ную несовместимость. Локус tol* картирован на хромосоме IV (не сцеплен с локусом спаривания). Рецессивные спонтанные и индуцированные мутации, подавляющие несовместимость, картируются в этом локусе. У псевдогомоталличного вида N. tetrasperma запрет на гетероаллельность по фактору спаривания отсутствует, ибо аскоспоры исходно содержат гетероат- дельные по спариванию ядра (см. с. 202). Аллели локуса TOL - 101е (у N. crassa) и tolT (у N. tetrasperma) были реципрокно интро- грессированы в противоположные геномы. Аллель lol в £ crass вел себя как рецессивный супрессор гетерокарионнои несовмес =^a=sgs=
жено три аллеля (OR, РА и U Ь ПоКазало наличие двух ге- лскулярное исследование ло >,__ #tet.6n ип-24. Пер-
нов, которые наследуются как едвегетативной
вый имеет области гомологии с геном го/
несовместимости Podospora anserina het-e. Второй кодирует большую субъединицу фермента рибонуклсотидрсдуктазы, необходимой для синтеза ДНК.
Поскольку природные штаммы часто различаются по нескольким /ier-генам, большинство из них взаимно несовместимы. У .Aspergillus nidulans несовместимость проявляется в снижении ге- тсрокариотичных (мозаичных) конидиальных головок при сращивании штаммов, маркированных окраской конидий (yellow, white и др.). Среди природных штаммов выделено более 20 взаимно несовместимых h-c (heterokaryon-compatibility) групп. Поскольку ге- терокарионная несовместимость в большинстве случаев не препятствовала половой гибридизации, был проведен гибридологический анализ несовместимости. Если несовместимость контролируется одним геном с двумя аллелями, то лишь половина потомков будет совместима с одним или другим родителем; при наличии к несцепленных локусов несовместимости доля совместимых с родителями потомков составит 2 х (1/2)* Степень совместимости оказалась обусловленной числом гетероаллельных локусов у сращиваемых штаммов, вследствие чего можно получить серию гибридов с варьированием несовместимости (от незначительного снижения числа гетерскариотичных головок до полного их отсутствия).
Наиболее сложный генетический контроль вегетативной несовместимости описан у Podospora anserina. Пять локусов этого гриба — В, Q, S, С, W — фенотипически сходны с Лег-генами N. crassa: если два штамма гетероаллельны по какому-либо из них, на границе колоний возникает линия барража. Как и у N.crassa, эти гены не влияют на протекание полового процесса, за исключением локуса С, гетероаллельность по которому подавляет также формирование перитециев. Наиболее интересен локус het-s. Потомство от скрещивания гетероаллельных штаммов [Het-S] и [Het-s] расщепляется на два класса: [Het-S] и нейтральный [Het-s*], совместимый с обоими родителями. При сращивании [Het-s*] с [Het-s] происходит превращение первого во второй. Такое превращение с низкой частотой может происходить и спонтанно. Скрещивание этих штаммов дает в потомстве только [Het-s], если этот штамм был материнским (псритециальным), и [Het-s*], если [Het-s] был отцовским, т.е. имеет место феномен неядерного наследования.
Однако митохондрии не принимают участия в регуляции данного фенотипа. Поэтому было сделано предположение о том, что белок, кодируемый het-s, способен индуцировать и регулировать собственный синтез. Этот белок имеет свойства приона, ибо: 1) белок необходим для превращения фенотипа [Het-s*] в [Het-s]; 2) перепродукция гена белка het-s ускоряет такое превращение; 3) превращение происходит в отсутствие трансляции; 4) физи- 214
КО-ХНМИЧССКИС свойства белка het-ч схачих.* п - грибных прионных белков (PSI и URE3 ХХ^ фекшюнныс белки, которые возникают из нормальных клеточных белков, но потеряли свои функции и приобрели способность конвертировать нормальный белок в себе подобную форм/S pHET-s имеет отличия от pHET-S в 14 аминокислотах из 289 причем показано, что его свойства могут меняться при замене только одной аминокислоты (цистеина на пролин в положении 33).
Помимо аллельной несовместимости, штаммы P.anserina, выделенные из разных районов Франции и Германии, несовместимы вследствие взаимодействия в смешанной цитоплазме продуктов неаллельных генов. Пять таких генов (с, d, е, г, Г) обнаружены у природных изолятов и четыре гена (/, g, к. Г) выявлены с помощью искусственного мутагенеза. Несовместимая реакция развивается при взаимодействии продукта гена с расы S с продуктами генов due расы А; гена с расы А — с продуктом гена е расы F; гена г и гена У, а также при аллельном взаимодействии V/v. Взаимодействия между штаммами, имеющими разные аллели неаллельных генов несовместимости с, е и d, показаны в табл. 26.
Неаллельные взаимодействия проявляются не только в вегетативной, но и в половой несовместимости: если два штамма различаются одной парой неаллельных генов, то перитеции развиваются только с одной стороны вдоль демаркационной линии между колониями, а с другой отсутствуют. При различиях по двум парам генов перитеции не развиваются вовсе. Стерильность обусловлена деструкцией трихогины при ее слиянии с микроконидиями, т.е. сходна по физиологическому механизму с гаметофит- ной несовместимостью высших растений. Унилатеральный перенос факторов несовместимости наблюдается и в вегетативных клетках- при слиянии гиф, имеющих ядра с генами гУ и Kv, ли- з^руютсятолько одна, ближайшая к анасгомоэирукжеи клетка штамма гУи более 100 клеток штамма Rv, т.е. погибают R-» но не И-клетки.
Таблица 26. Вааимодейстмя между аллелями
локусе» с, е и d Р. anserine (S.S.Sauplc et al.. 199 )^
het-c
—^—7het-d
het-e
— 5/d2 elc2
cl
H
H
H
c2 c3 c4
H
H н —
H
H
н
Примечание. Н - реакция несовместимости.
птиена серия мгганто», в разной степени ослабляющих са- МО1 ссовместимость. обусловленную присутствием в геноме генов несовместимости hm-c. her-e. het-d. Эти мутации обозначены сим- ЮЗОМ mod (modification). Продукт гена modD гомологичен аденил- 1ШКЛ13С N crassa Он вызывает автолиз гиф в старых колониях, который подавлялся ингибитором протеаз фенилпируватом или присутствием мутации mode - ингибитора несовместимости в системе het-R/het-V. Все гены mod ингибируют образование три- хогины вследствие чего их носители имеют женскую стериль-
ность. _
Ряд генов нсаллельной несовместимости клонированы. Белок НЕТ-С, состоящий из 208 аминокислот, осуществляет перенос липидов от донора на акцептор, находящийся на мембране. Он необходим для поддержания нормальной композиции мембран, транспорта везикул в клетки и, возможно, для организации цитоскелета. Огромный (1056—1356 аминокислот) белок НЕТ-Е имеет два домена. Один из них, гомологичный белкам TOL и НЕТ6 N. crassa, содержит сайт связывания с ГТФ (Р-петлю), причем мутации, нарушающие связывание ГТФ, одновременно нарушают функцию несовместимости. Поскольку продукты обоих генов несовместимости (het-c и het-e) принимают участие в трансдукции сигнала (первый участвует в транспорте гликолипида цера- мида — медиатора стрессорных ответов и апоптоза, второй связывает ГТФ), полагают, что несовместимая реакция может быть обусловлена конститутивной активацией сигнальной системы, приводящей к апоптозу.
В системе V/R идентифицированы два гена, вызывающие лизис — lytl и lyt2, их активность подавлена в присутствии mod- мутаций.
Как видно, гены, влияющие на вегетативную несовместимость, разнообразны по функциям, а сама несовместимость разнообразна по своей природе. Она может быть вызвана дефектами мембран внутриклеточных везикул, которые собраны в смешанной цитоплазме продуктами разных генов, блокированием микротрубочек, ответственных за миграцию ядер, и, возможно, другими процес-
Экологическая и популяционная роль вегетативнойнесовместимости
бов^^ежащ^широко распространена у грибовразным таксонам. Популяции многих гри-
групп что ппип Н3 большое число вегетативно совместимых (v-c) седству колоний^пЛ Взаимной изоляции находящихся по-со- -видимому, имеются какие-то факторы, се- 216
ной несовместимое^роль '‘"датив
ной функции - 3mJ,m„„„,,„ 0UMI^^ махматических элементов. В цитол™^^^ wm»- шое число автономно-оелл ^
вирусов); некоторые ^ниД“=(ПЛамид'
хозяев, вызывая такие явления, как гиповирулентао^ т« родителей потомкам и горизонтальный - через анастомозы между гифами двух рядом растущих штаммов. Защитой от вертикальной передачи служит половой процесс, ибо некоторые типы двухцепочных ДНК- и РНК- содержащих плазмид, например d-фактор Ophiostoma ulmi, не попадают в мейоспоры. Защита от горизонтального переноса — цитоплазматическая несовместимость, так как эффективность передачи инфекции через зону барража снижается или она не передается совсем.
О роли несовместимости в защите от заражения плазмидами свидетельствуют следующие данные: внутри одной гавайской популяции Neurospora intermedia 9 штаммов, содержащих плазмиду kalilo, были вегетативно несовместимы с каждым из 20 проверенных штаммов, свободных от плазмиды. Другой пример — попытки использовать зараженные двухцепочной (дц) РНК гиповиру- лентные штаммы возбудителя рака каштанов Cryphonectria (Endothia) parasitica для зашиты каштановых лесов от болезни. При сращивании двух штаммов dsPHK переходит через анастомоз из гипо- вирулентного штамма в вирулентный, делая его тоже гиповир> лентным. Заражая больные деревья гиповирулентными штамма- ми удалось вылечить каштаны во Франции и Италии. Однако в ояде районов Северной Америки лечение оказалось неудачны, ь Оласти это обусловлено значительно большим числом взаимно ^о^мых^-с-ФУПП в Америке по сравнению <; Европой
Степень подавления передачи о^™™^ „ых локусов «""^Тй ч—
kalilo, чем различия по генам net
ЧАСТЬ IV
ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ГЕНЕТИКИ ГРИБОВ
Глава 8
ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЛЕКЦИИ ГРИБОВ
Грибы представляют непосредственный практический интерес в нескольких аспектах:
они синтезируют различные метаболиты, полезные для человека;
в мицелии и плодовых телах накапливается пищевой или кормовой белок и иные питательные продукты;
грибы нематофаги, энтомопатогены, мико- и фитофилы используются дтя биологической защиты растений от вредных организмов.
Во всех случаях человек в XX в. перешел от собирательства и случайного использования грибов и их продуктов к культивированию. Однако культивирование микроорганизмов не может быть успешным при низком выходе того продукта, ради которого они культивируются.
Повышению продуктивности и, следовательно, рентабельности микробиологического производства служат селекция, т.е. увеличение генетического вклада в продуктивность, и технология, т.е. увеличение вклада, обусловленного условиями роста, выращивание в таком режиме, при котором наследственные потенции проявляются в наивысшей степени. Оба эти приема важны и взаимно незаменимы.
Селекция продуцентов грибных метаболитов
рибы выращивают ради получения органических кислот, витаминов, ферментов, антибиотиков, алкалоидов, ростовых гормонов. ак известно, все метаболиты условно разделяют на первичные и вторичные.
inuu^un Разделение условно, так как сейчас известно, что боль- низяиии п!пРИЧНЫХ метаболитов образуется вследствие реорга- нипи-пишл^н4^^" Например, р-лактамовые антибиотики (пе- аминокислот ~ продукты реорганизации трех
Первичные метаболиты
Регуляция синтеза
иезяменимы’^н^^Р°ста организма и
леводы, коферменты, лХш”Ж™~' 6— пах биохимической эволюции, поэтамэта"
разных групп организмов (даже у про- и ™2Т СХОДНЫ у водящая к потере фермента участвуют?™Т ' Мугация* пРн’ метаболита, приводив перекрыХ™ ™ ™ТИЧ"°Г° и накоплению промежуточного метаболита, nccnocoeHoroXi? формироваться дефектным ферментом. Такой меХит^ редко может быть использован в боковом шунте. Все это свидетельствует о высокой специфичности ферментов к их нормаль- ным субстратам и вместе с тем позволяет по накоплению промежуточных продуктов у независимо полученных мутантов изучать пути биосинтеза. Такой прием был впервые применен при изучении биохимических мутантов Neurospora crassa американскими генетиками Дж. Бидлом и Э.Тейтумом, которые за эту работу получили в 1958 г. Нобелевскую премию. В 1957 г. англичанин Дж. Финч у того же гриба разработал метод изучения тонкой структуры гена, названный межаллельной комплементацией.
Поскольку генетическая регуляция метаболизма первоначально была исследована у прокариот и прокариотные модели регуляции приведены во многих учебниках, отметим особенности регуляции у грибов по сравнению с прокариотами.
■ У прокариот функционально связанные гены, участвующие в биосинтезе продукта, собраны в гроздь (кластер) — оперон. Согласно расчетам М. Демереца, 70 % генов Salmonella образуют кластеры из двух и больше функционально связанных генов. В частности, гистидиновый оперон включает 9 генов, продукты которых (ферменты) управляют синтезом гистидина. У грибов хотя и обнаружена оперонная организация генов, чаше они расположены независимо. Те же 9 генов синтеза гистидина у N. crassa разбросаны по четырем хромосомам.w
■ У прокариот в основном наблюдается негативный контроль синтеза. Оперонная модель включает участие гена'|*г^”|г”*’а’^” пполукта — репрессора, связывающегося с оператором и вых лючающего промотор структурных генов. У грибов при натичи негативного контроля более часто обнаруживается поз"™виьп. Р МеэеХрг выск^ап на этот счет сл“уюшие с^^^ клетки кишечной папочки составля •ше на 3 порядка, примерно в 10 раз больше, аУет постоянного синтеза реп -
Механизм негативного контроля тр • выключенными мно- рессорных молекул для того, чтобы держать выключе^
г„, гены Если бы v эукариот негативный контроль был прави- ™утлый пепрессор присутствовал бы в концентрации, репрессором Escherichia соП - 2 Ю- И
V Е coli около 1000 регуляторных систем, а у N. crassa их в 10 паз бопыпе. Концентрация репрсссорных молекул при этот со- ставича бы 2 10 4 М. Если средняя молекула белка имеет моле- кулярную массу 105 Да, то концентрация регуляторного белка полжна составлять 20 мг/мл, а осмотическое давление, вызванное ими 4 торр. Поскольку pH кислых аминокислот может отличаться от клеточного, для их нейтрализации требуются ионы К' что еще больше увеличит осмотическое давление. Таким образом, осмотические условия существования эукариотной клетки не позволяют доминировать негативной регуляции метаболизма. Кроме того, позитивный контроль более эффективен. Так,
активности полностью репрессированного и дерепрессированного /дс-оперона кишечной палочки различаются в 1000 раз, в то время как различия с активностью щелочной фосфатазы N. crassa составляет 10 000 раз. Отсюда следует, что позитивный контроль более эффективен, хотя и осуществляется меньшим
числом молекул.
Часто первый структурный ген запускает работу остальных генов системы, будучи одновременно элементом позитивного контроля. Например, активность генов синтеза лейцина leu-4, 1еи-2 и 1еи-1 скоординирована таким образом, что в зависимости от концентрации лейцина в среде продукция всех трех ферментов колеблется одинаково. Мутант по 1еи-4 лишен не только первого фермента в цепи биосинтеза, но и других ферментов даже в условиях лейцинового голодания. Фермент Leu-4 осуществляет синтез ц-изопропилмалата — позитивного контролера регуляторного гена 1еи-3.
В связи с тем, что в грибной клетке могут находиться несколько ядер, для грибов характерен также ядерно-лимитирован- ный контроль. Если контрольный элемент (позитивный или негативный) не диффундирует через ядерную мембрану, то в гетерокариотической клетке с нормальными и мутантными по регулирующем гену ядрами будут наблюдаться явления репрессии одними ядрами и дерепрессии другими.
Примеры генетической регуляции метаболизмау грибов
ХикийяЛ^лШа^ИЗМа хишюй кислоты у Neurospora crassa. ляется xodohiJm и обычный Растительный продукт, который яв- оастительмыр л ст°чником углерода для грибов, разрушающих статки. В утилизации хинной кислоты участвует
qa-p
qo-3qo-3Рис. 66. Генетическая карта кластера генов qa.Рис. 66. Генетическая карта кластера генов qa.показаны проценты прототрофов, возникших при скрещиваниях мутантовпоказаны проценты прототрофов, возникших при скрещиваниях мутантовЦифрами
qo-3
qo-3
Рис. 66. Генетическая карта кластера генов qa.
Рис. 66. Генетическая карта кластера генов qa.
показаны проценты прототрофов, возникших при скрещиваниях мутантов
показаны проценты прототрофов, возникших при скрещиваниях мутантов
СООНСООНОНОНШикимовая кислотаШикимовая кислотаНАД* НАДННАД* НАДНкластер генов, расположенных вблизи центромеры правого плеча хромосомы VII, размером 17,3 тыс. н.п. В кластере обнаружены структурные гены, продукты которых участвуют в катаболизме хинной кислоты, — qa-2, qa-3, qa-4 (рис. 66), и регуляторный ген qa-1. Порядок расположения генов в кластере: qa-1 — qa-3 — qa-4 — qa-2. Участие структурных генов qa-2, qa-З и qa-4 в последовательных этапах превращения хинной кислоты в протокатехо- вую показана на рис. 67. Ген qa-1 в присутствии хинной кислоты образует продукт, взаимодействующий со структурными генами. Этот продукт диффундирует между ядрами, так как мутант по регуляторному гену комплементируется в гетерокарионах, деф- фектных по структурным генам. Получены мутанты с разной степенью комплементации. Быстро и полно комплементируюшиеся
СООН
СООН
ОН
ОН
Шикимовая кислота
Шикимовая кислота
НАД* НАДН
НАД* НАДН
Дсгидрохинная Дсгидрошикимовая Протокзтеховая
Хинная кислотакислотакислотакислота
Рис. 67. Катаболизм хинной кислоты (R. L Mcizcnscr. 1977).
Три структурных гена, кодирующих <|>ермснты катаболизма, обозначены под стрелками. Дальнейшее окисление протокатсховой кислоты осуществляется под контролем иных генетических систем
Рис 68 Генетическая организация кластера фг-генов.Рис 68 Генетическая организация кластера фг-генов.Пт стттных и два регуляторных гена <,o-IS и формируют кластер ^змер«И?3 ТЫС. и. и. Стрелками укаюпы направления транскрипции каждогоПт стттных и два регуляторных гена <,o-IS и формируют кластер ^змер«И?3 ТЫС. и. и. Стрелками укаюпы направления транскрипции каждого
Рис 68 Генетическая организация кластера фг-генов.
Рис 68 Генетическая организация кластера фг-генов.
Пт стттных и два регуляторных гена <,o-IS и формируют кластер ^змер«И?3 ТЫС. и. и. Стрелками укаюпы направления транскрипции каждого
Пт стттных и два регуляторных гена <,o-IS и формируют кластер ^змер«И?3 ТЫС. и. и. Стрелками укаюпы направления транскрипции каждого
мутанты названы да-Г, медленно и не полностью комплементи- рующиеся - да-Is. Мутации в области да-Is приводят к консти- туционной активности структурных генов даже в отсутствие хинной кислоты. Наоборот, в области qa-lF получена мутация {qa- 1е), не индуцируемая хинной кислотой. Картирование кластера показало, что область qa-1 включает два гена — qa-J, продуцирующий в присутствии хинной кислоты белок-активатор, и qa-s, продуцирующий репрессор (рис. 68). Активатор связывается с консервативным участком размером 28 н.п., имеющимся у всех трех структурных генов, и индуцирует их экспрессию. Репрессор содержит два домена — qa-S и qa-Y: первый взаимодействует с хинной кислотой, второй — с активатором.
В отсутствие хинной кислоты связывание репрессора с активатором выключает индукцию последним структурных генов. Хин
ная кислота делает репрессор неактивным по отношению к активатору, который включает экспрессию структурных генов. Уровень индукции регуляторных генов хинной кислотой отличается примерно в 50 раз, а структурных — до 10 тыс. раз. В кластер входит также ген qa-X, ответственный за катаболитную репрессию. При наличии в среде энергетически более выгодного катаболита (например, глюкозы) уровень активности ферментов падает до
Регуляция синтеза ароматических аминокислот у N. crassa. Система arom представлена расположенными на правом плече хромосомы II пятью сцепленными генами, которые контролируют ферменты, необходимые для синтеза ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина и триптофана) и витамина пара- нэ°иной кислоты (ПАБК) (рис. 69). Порядок генов (про- о-т™, агот~^ агот-А — агот-5 — а гот-9 — агот-\) не соот- "оследовательности ферментативных реакций при био- каждому ГСНУ получены missence-мутации, не влияю- зиоуютгусоссдн.их генов. На матрице этих генов синте-
сой 230ООП —апТСК^к МРНК и полипептид с молекулярной мас- торого состоит ®1*И(^ункциональнь1й димер, каждый мономер ко- межаллельны* v ПЯ™ А0МСИ0?- По каждому гену описано много омплементаций, происходящих вследствие нали- 222
ФЕП+Э-4-ФФЕП+Э-4-Фагот-3 агот-3 САСАагот-6агот-6EPSPEPSP
ФЕП+
Э-4-Ф
ФЕП+
Э-4-Ф
агот-3
агот-3
СА
СА
агот-6
агот-6
EPSP
EPSP
ANT
РНЕ
TYR
Группа сцепления II
Внутриаллсльная комплементация
Мсжаллсльная комплементация
Ферментный агрегатФерментный агрегат
Ферментный агрегат
Ферментный агрегат
DHS-редуктаза + Дсгидрохиназа + SA-киназа+ EPSP-синтетаза + DHQ-синтетаза
Около 70 единиц карты
агот-Ь 1 Группа сцепления IV
Группа ДАГФ- сцснлсния I синтетаза
ДАГФ- синтстаза
Три разных изофермента
ДАГФ- синтетаза
ФЕИ — фосфоы Рис. 69. Этапы биосинтеза ароматических аминокислот у Neurospora crassa:
рохикнат; DHS — 5-легилпо^ ^ ^ ^,,т^озо'^'ФосФлт; ОАНР— 3-лезокси-/)-арабипоп:птулозонат-7-фосфат; DHQ — 5-дст.
<|юсфат; СА — хоризмовая ku^^aUt ~ 11|ИК|,моная кислота; SAP — шикимат-5-фосфат; EPSP — З-сиолпнрушспиикимат 5- гени СЛОТ!1, — антраниловая кислота; РНЕ — <|к*нилалапин; TYR — тирозин. Нм стрелками укакты , о1П|юлируюн|ис <|»срмснты синтеза (последние заключены в прямоугольники)
чия л^ идейных мономеров у всех полипептидов, входящих 8 "помимо простых мутаций описаны плсйотропные, снижа- лподавляющие активность всех пяти ферментов. Они не комплёментируютея с простыми и картированы в генах «гот-2 ,7огот 4 По-вшимому. они представляют собой высокополяр- ныХлсенс-мутации, расположенные вблизи точки инициа- щщ транскрипции. Гены, входящие в кластер, конститутивны и подвержены аллостерической регуляции ароматическими аминокислотами, которая осуществляется на уровне синтеза предшественника дсзоксиарабионогептулозонат-7-фосфата (ДАГФ). Он катализируется тремя изоферментами, находящимися под контролем трех генов (агот-6, arom-7, arom-S), не сцепленных с arom-кластером. Синтез каждого изофермента репрессирует- ся при наличии в среде одной из трех ароматических амино-
Катаболитная репрессия углеводов у Saccharomyces cerevisiae. Катаболитная репрессия обусловлена тем, что в присутствии энергетически менее затратного источника углерода (глюкозы) ферменты, необходимые для утилизации более затратного (альтернативного) источника, отсутствуют или синтезируются в низкой концентрации (табл. 27).
Наряду с катаболитной репрессией у дрожжей имеет место катаболитная инактивация — протеолиз определенных ферментов.
Так, глюкоза вызывает быстрое фосфорилирование и протеолитическую деградацию фруктозо-1,6-бисфосфатазы вследствие переноса этого фермента в вакуоль и деградации высокополярными протеазами.
В качестве примера катаболитной репрессии рассмотрим регуляцию углеводами генов GAL, участвующих в катаболизме галактозы.
В присутствии галактозы как единственного источника углерода активизируется ряд генов:
1) ген GAL2 кодирует синтез фермента пермеазы, который осуществляет перенос галактозы через мембрану;
) ген GAL4, продукт которого — активатор транскрипции геиов ^^^А GAL2t GAL 7, GAL10, MELI), участвующих в п?гл'читлЗМе ™аКТОЗЬ1 и мелибиозы (рис. 70); эти гены содержат ЫИ ^1CMeHL UASgal, с которым взаимодействует ди- стоянии Ф°Рма белка Gal4, однако в димеризованном со- ный акт. ° 4 ^ормиР>'ет комплекс с белком Gal80, не способ- экспРсссию галактозных геиов;
вается с К°И^Р°ЛИРУСТ галактокиназу; белок Gal3 связы- скрипции галакт а ^^’ освобождая тем самым регулятор транскрипции галактозных генов Gal4.
224
Таблица 27. Катаболитная репрессия у 5. cercvisiae, вызванная различными сахарами (J.M.Ganccdo, 1998)
Источник углерода
Активностьфермснтов. mU/мг белка
малат- синта- за
фруктою- бисфос- фатаза
изошпрат- лиаза
иитохром- оксидаза
малатде гидрогеназа
глютамат- дс гидрогеназа
Глюкоза
1
1
1
6
450
1
Галактоза
1
1
1
19
700
8
Пируват
180
40
80
38
11000
53
При наличии в среде глюкозы снижается транскрипция G4L2 (пермеазы) и, следовательно, поступление галактозы в клетку и активация ею галактозных генов. В частности, в репрессирован
ном состоянии находится ген GAL3, вследствие чего регулятор Gal4 находится в неактивном комплексе с Gal80. Синтез Gal4 также подавлен вследствие связывания регуляторного белка Migl с промотором гена GAL4. В отсутствие глюкозы белок Migl фосфо- лирируется протеинкиназным комплексом Snfl и мигрирует из ядра в цитоплазму. Глюкоза инактивирует комплекс Snfl, вследствие чего Migl остается в ядре и связывает ген GAL4. Упрощенная схема индукции галактозных генов приведена на рис. 71. В результате репрессии этих процессов глюкозой активность GAL-re- нов уменьшается примерно в 1000 раз.
Рис. 70. Утилизация галактозы.Рис. 70. Утилизация галактозы.Этапы процесса: растепление мелибиозы (ген те!!, фермент — а-тактоэзиаза); транспорт галактозы в клетку (ген ga!2. фермент — пермеаза); фосфорилирование галактозы (ген gall, фермент — галактокиназа); трансформация галактозо- 1-фосфат в глюкозо-1-фосфат (гены ga/7 и gallO, ферменты — галактозе-1-фос- фатуридилилтрансфераза и урндиндифосфоглюкозо 4-эпн.мераза); образование глюкозо-6-фосфата (ген ga<5, фермент — фосфоглюкомутазл)Этапы процесса: растепление мелибиозы (ген те!!, фермент — а-тактоэзиаза); транспорт галактозы в клетку (ген ga!2. фермент — пермеаза); фосфорилирование галактозы (ген gall, фермент — галактокиназа); трансформация галактозо- 1-фосфат в глюкозо-1-фосфат (гены ga/7 и gallO, ферменты — галактозе-1-фос- фатуридилилтрансфераза и урндиндифосфоглюкозо 4-эпн.мераза); образование глюкозо-6-фосфата (ген ga<5, фермент — фосфоглюкомутазл)
Рис. 70. Утилизация галактозы.
Рис. 70. Утилизация галактозы.
Этапы процесса: растепление мелибиозы (ген те!!, фермент — а-тактоэзиаза); транспорт галактозы в клетку (ген ga!2. фермент — пермеаза); фосфорилирование галактозы (ген gall, фермент — галактокиназа); трансформация галактозо- 1-фосфат в глюкозо-1-фосфат (гены ga/7 и gallO, ферменты — галактозе-1-фос- фатуридилилтрансфераза и урндиндифосфоглюкозо 4-эпн.мераза); образование глюкозо-6-фосфата (ген ga<5, фермент — фосфоглюкомутазл)
Этапы процесса: растепление мелибиозы (ген те!!, фермент — а-тактоэзиаза); транспорт галактозы в клетку (ген ga!2. фермент — пермеаза); фосфорилирование галактозы (ген gall, фермент — галактокиназа); трансформация галактозо- 1-фосфат в глюкозо-1-фосфат (гены ga/7 и gallO, ферменты — галактозе-1-фос- фатуридилилтрансфераза и урндиндифосфоглюкозо 4-эпн.мераза); образование глюкозо-6-фосфата (ген ga<5, фермент — фосфоглюкомутазл)
Рис. 71. Регуляция активности галактозных генов.
Объяснение см. в тексте (хр — хромосома)
Метаболитная репрессия утилизации фосфора у N. crassa. Главным источником фосфора для природных штаммов N.crassa являются нуклеиновые кислоты из убитых высокой температурой растений. Метаболизм, поступление и утилизация нуклеиновых кислот проходят ряд этапов: 1) гидролиз до эфиров монофосфата нуклеазами; 2) гидролиз этих эфиров кислой фосфатазой и 5 -нуклеотидазой (в окружающей среде) и щелочной пермеазой (в периплазме); 3) транспорт фосфата в клетку фосфат пермеазой и фосфор ил этанол амин пермеазой. Экспрессия всех этих ферментов подвержена метаболитной репрессии неорганическим фосфатом. Например, два структурных гена — pho-i (синтез щелочной фосфатазы) и pho-1 (синтез кислой фосфатазы) не сцеплены друг с другом и с регуляторными генами пис-2, пис-3, preg. ен лис-1 контролирует синтез позитивного контролирующего элемента, запускающего экспрессию структурных генов на уров- е транскрипции. Белок Preg (phosphate regulation) репрессирует
СКРИПЦИЮ гсна лис-1 (негативный контроль), а белок Nuc2, г й ^и СТОР°НЫ» репрессирует экспрессию гена preg, а с дру- (пиг 7э^ВтЯСТСЯ мишснью действия неорганического фосфата вияхкаскадная регуляция приводит к тому, что в усло-
в 10000 ряз™0™ Г0Л0дания активность ферментов увеличивается гриб^спосп^и?1 р€,,рессия утилизации азота у грибов. Многие утилизировать широкий набор источников азота 226
Структурные гены
Другие
Рис. 72. Модель регуляции семейства структурных генов, осуществляющих метаболизм фосфата lpho-2, pho-\ pho-4 и др.) (R.L.Mctzenbcrg 1982).
Эти гены находятся под позитивным контролем продукта гена лис-1, который в свою очередь инактивируется продуктами генов preg, pgov. Эти гены репрессирует продукт гена лис-2, транскрипцию которого репрессирует неорганический фосфат (Ф„)
в среде, включая нитратный азот, которые в результате серии метаболических шагов восстанавливаются до аммония, а последний включается в синтез аминокислот и других азотсодержащих органических соединений. В превращении нитратного азота в аммонийный принимает участие ряд ферментов:
NO3 —- NO2 —-NH4
НитратредуктазаНитритредуктаза
Мо-содержащий кофактор,
।— Пуриндегидрогеназа -j
Гипоксантин КсантинМочевинная кислота
Для функционирования первого структурного фермента,восстанавливающего нитратный азот — нитратредуктазы, нео ,*
кофактор, содержащий молибден и входящим также B^»^J мента ксантиндегидрогеназы, который >™ст”>с; = *^ пуринов. Нитратредуктаза переносит на нитр. д • один - от НАДФ через ФАД и цитохром »я, второй либденсодержашего кофактора. аммония
Нитритредуктаза B0CCTaHaMI'^'m.PLHTOiiTpeayKnuu (NITX У N. crasso гены, кодирущие 1№^^ тесно
N1T6), нс сцеплены, а у Aspergilla mdulans (NIAD и Hiw
Таблица 2S. Символы генов, ответственных за утилизацию азота у грибов
Функция
.V. crassa
A. nidulans
Fusariumoxysporum
Структурный ген иитрат- редуктазы
NIT3
NIAD
NITI
Структурный ген нитрит- рсдуктазы
NIT6
NIAA
Ген синтеза Мо-кофак- тора
NITI NIT7 NIT8 NIT9
CNXABC CNXE CNXF CNXG
NITM
Ген специфической и тукни и
NIT4
CNXH
NIT3
Ген метаболитной репрессии
NIT2
NIRA AREA TAMA
сцеплены. Оба гена индуцируются нитратом и репрессируются аммонием. Ген N. crassa N1T4 — медиатор специфической субстратной индукции нитратом, a NIT2 — специфической репрессии аммонием. За синтез и сборку содержащего молибден кофактора ответственны четыре гена, в том числе сложный локус, состоящий из трех комплементационных групп (NIT9 N. crassa, CNXABC A. nidulans) (табл. 28).
Экспрессия AREA (ammonium repression) и NIT2 регулируется уровнем глютамина в клетках. Однако АгеА-белок участвует не только в регуляции нитратного метаболизма, но и в других процессах, связанных с утилизацией азота из разных источников. Метаболитной репрессии азота подвержено более 100 генов A.niduians. Например, АгеА-ре прессор участвует в регуляции катаболизма пролина как источника азота и углерода. Пролин активизирует продукт первого гена пролинового кластера PRNA, который стимулирует экспрессию структурных генов PRNB (пермеаза), PRND (пролиноксидаза) и PRNC (дегидрогеназа). С помощью этих ферментов пролин транспортируется в клетку и трансформируется до глютамина. В центре кластера находится регуляторная область, содержащая 4 сайта узнавания: 1) сигнала индуктора РтА; 2) продукта гена AREA; 3) продукта гена CREA (carbon catabolite repression) и 4) РНК-полимеразы. Мутации, нарушающие сайты связывания с катаболитным репрессором углерода СгеА и дерепрессирующие катаболизм пролина как источника углерода, влияют и на регуляторные функции АгеА. 228
У Регулятор- GAJA Эта область включает^ ’ЗМОВ и иаз»анную до 722) и содержит послсдоватслмтг СЛОТНЬ1Х остатка (от 671 (zink finger). Получено и кчотиппп ’ хелатиРУющую Zn“ щих на степень связывания GATA o6n^H°™ мутаций’ ^ияю- стком ДНК. AIА области с промоторным уча-
Селекция
"Р0^611™8 аминокислот, витаминов, азотистых ос- новации. Наилучшим методом селекции продуцентов аминокис- 30ТИСТЫХ оснований и ДРУГИХ промежуточных продуктов является получение мутаций, приводящих к блокированию определенных стадии биосинтетического пути. Это может привести к накоплению промежуточного продукта, который в связи с блоком последующей стадии биосинтеза будет не утилизироваться, а накапливаться. Например, мутанты Saccharomyces cerevisiae, Coprinus cinereus, flammulina velutipes, ауксотрофные по гуанину’ накапливают его предшественники ксантины.
Второй принцип селекции заключается в том, что генетический блок в синтезе одного конечного продукта в разветвленном пути биосинтеза приводит к накоплению другого конечного продукта. Например, мутант Ustilago maydis, ауксотрофный по лейцину, накапливает в высокой концентрации (до 6 мг/мл среды) метионин. Другой пример — ауксотрофные по гистидину и метионину мутанты Hansenula sp. синтезировали до 6 мг/мл триптофана на среде, содержащей необходимый источник роста в ограниченной концентрации. Мутант Candida guilliermontii, у которого был блокирован синтез предшественников пуринов, накапливал рибофлавин до 39 мг/мл среды. Генетический блок мутанта связан с образованием раннего предшественника пуринов 5*-амино- 4-имидазокарбоксандриботида.
Выход необходимого продукта может быть увеличен активизацией ферментов, необходимых для синтеза его предшественников Например, один из предшественников рибофлавин
- образуется у большинства организм в
путь является основным для сах» р . K0SSYPn — промыт- тих на среде с глюкозои_ А"О.ми 1с -. ^^продукта д0
ленный продуцент рибофлав '«» <" й , котороЯ ген тре- 15 г/л) — был трансформиро ‘ * iGLYh был соединен онинальдолазы из Saccharomyces cere^ac <GUn w
66ввРис. 73. Продукция рибофлавина (мг/г сухого веса мицелия) Aeshbyagossypii в жидкой питательной среде без добавления аминокислот (1), с добавлением 80 мМ глицина (2) и 50 мМ треонина (3) (P.Moonschau et al., 1998):й — дикий тип; б — paG203; в — paG203GL¥lРис. 73. Продукция рибофлавина (мг/г сухого веса мицелия) Aeshbyagossypii в жидкой питательной среде без добавления аминокислот (1), с добавлением 80 мМ глицина (2) и 50 мМ треонина (3) (P.Moonschau et al., 1998):й — дикий тип; б — paG203; в — paG203GL¥l
6
6
в
в
Рис. 73. Продукция рибофлавина (мг/г сухого веса мицелия) Aeshbyagossypii в жидкой питательной среде без добавления аминокислот (1), с добавлением 80 мМ глицина (2) и 50 мМ треонина (3) (P.Moonschau et al., 1998):
й — дикий тип; б — paG203; в — paG203GL¥l
Рис. 73. Продукция рибофлавина (мг/г сухого веса мицелия) Aeshbyagossypii в жидкой питательной среде без добавления аминокислот (1), с добавлением 80 мМ глицина (2) и 50 мМ треонина (3) (P.Moonschau et al., 1998):
й — дикий тип; б — paG203; в — paG203GL¥l
с конститутивным промотором TEF, чем достигалась сверхпродукция фермента. Продукция трансформированного штамма не отличалась от продукции исходного при росте на средах без добавления аминокислот и с добавлением глицина, но увеличи
валась на порядок при выращивании на среде с треонином (рис. 73).
Селекция продуцентов ферментов. В основе мутагенной селекции, направленной на повышение продукции ферментов, лежит использование четырех классов аберрантной генетической информации. Каждый из них может иметь неодинаковое потенциальное
влияние на накопление ферментого белка: 1) мутантные нуклеотидные последовательности ДНК структурных генов (обычно миссенс-мутации); 2) мутантные нуклеотидные последовательности ДНК регуляторных генов (промотор-мутации); 3) дупликации нуклеотидных последовательностей ДНК структурных генов; 4) дупликации нуклеотидных последовательностей ДНК регуляторных генов. Теоретически наиболее благоприятны для увеличения выхода ферментов мутации 2-го и 3-го типов. Мутации в ре- гуляторном гене могут привести к его выключению. При этом фермент из индуцибельного становится конституционным. Напри- uuni,CllHTe3 целлобиазы, гидролизующей глюкозиды у N. crassa, введением в среду некоторых глюкозидов. Штамм тппт?УИр»И се " не нуждается в индукторе. Мутации в регуля- ж0ГуГ ПРИВССТИ к снятию репрессии образования oeccHnvf-rcQX ^P4™10^- Так, синтез инвертазы у дрожжей реп- РУ глюкозой. Был получен мутант, у которого инвер-
-а не репрессируется глюкозой и составляет , - 2;; o6111cro синтеза Фсрме^которь?^к ^‘««hhio
числе копий мРНКУ 6улст идти на большем
щих растительные полисахариды.’ ПоЛ^е"иХ°аиОТ,НТИРУЮ‘ "" СЬ'РЬЯ Рассм”РИ"а=тся как ”иче«и ^„«^ возобновляемая альтернатива продуктам переработки нефти Из двух главных моносахаров гидролизата целлюлозы - гексоды глю- «паи ? ПеНТ03ь1 ксилозы - сахаромицетные дрожжи могут пре- врашать в этанол только глюкозу. Другие виды дрожжей, такие, как Pichia stipitis и Candida shehatae, способны ферментировать ксилозу до этанола вследствие наличия ферментов ксилозоре- дуктазы (XR, конвертирует ксилозу до ксилита), ксилитдегидрогеназы (XDH, конвертирует ксилит в изомер ксилозы — ксилулозу) и ксилулокиназы (ХК, образует ксилулозо-5-фосфат, который в дальнейшем включается в пснтозофосфатный путь метаболизма).
Сахаромицетные дрожжи могут сбраживать ксилулозу, но уровень сбраживания слабый из-за низкой активности ХК.
Были сконструированы рекомбинантные плазмиды, которые наряду с доминантными селективными маркерами (генами резистентности к генетицину и ампициллину) содержали 3 гена метаболизма ксилозы — XR, XDH (из Pichia stipitis) и ХК (из Saccharomyces cerevisiae). Трансформированный такими плазмидами штамм дрожжей мог коферментировать глюкозу и ксилозу; находящиеся на плазмиде гены не требовали ксилозы в ка- честве индуцирующего фактора и не супрессировались глюкозой. Полученный штамм активно утилизировал ксилозу для анаэробного роста, продуцируя в качестве побочного продукта кси- ЛИТЙз генома многих бактерий клонирован ген xylA, контролирующий синтез изомеразы ксилозы (ИК), кот°р^™”"^ен прямую изомеризацию ксилозы в ксилулозу. Онбыл п=Р="«е" из бактерии Thermus thermophihs в S. ссге™юпе™^^™1, ной плазмиде, однако Рето‘йина™%^оМваП^^^ у салит, который ингибирует синтез И . Р \ |ческий фермент харомицстных дрожжей катализируCRE3 на хромосоме
альдозорсдуктаза (АР), «о^™^име.
VIII. Делегирование гена С<Е5 У Р«-омбинподнять юшего бактериальный ген xylA. позволило зна
выход этанола из ксилозы.
Вторичные метаболиты
Регуляция синтеза
Ферменты катализирующие этапы вторичного метаболизма, гораздо менее специфичны, чем ферменты первичного метабо- зизма и могут участвовать в превращениях многих структурно сходных продуктов. Поэтому путь от начального к конечному соединению не столь жестко детерминирован. Этот путь сильно разветвлен и его конечные этапы могут быть представлены скорее в виде сетки, нежели линии. В связи с этим у многих природных штаммов и видов грибов обнаружены целые семьи структурно и функционально сходных соединений. Отсутствие высокой специфичности в действии ферментов часто приводит к тому, что при генетическом блоке какого-либо шага промежуточный продукт не накапливается, а используется в боковом шунте или даже метаболизируется ферментом, нормально оперирующим на следующем этапе.
Генетические основы селекции вторичных метаболитов рассмотрим на примере антибиотиков (пенициллины, цефалоспорины).
Пенициллины и цефалоспорины
Пенициллины и цефалоспорины относятся к группе р-лакта- мовых антибиотиков, содержащих четырехчленное амидное кольцо (р-лактам). У пенициллинов оно соединено с пятичленным триа- золидиновым циклом и ациламинной боковой цепью. У цефалоспоринов четырехчленное р-лактамовое кольцо соединено с шестичленным ненасыщенным дигидротиазиновым циклом (рис. 74). Соединения, содержащие Р-лактамовый цикл, встречаются у ряда грибов, а также грамлоложительных и грамотрицательных бактерий (рис. 75).
биосинтеза пенициллинов началось после того, как в г. Дж. Боннер обнаружил, что 2 ауксотрофа по лизину не продуцируют пенициллин. На этом основании появилось предположение, что у пенициллина и лизина имеется общий пред- ственник. Затем выяснили, что лизин — ингибитор синтеза
Рис. 74. Биосинтез пенициллинов и цефалоспоринов.коТ^™ ST“биосинтезом ферменты и символы
цистеин Z-VAI г J~ £-аминоадипиновая кислота; £-CYS - L-
’ VAL - £-валин; LLD-кСУ - трипептид (L-аминоадипиновая кислота — £-цистеин — D-валин)
HjN
L-AAA
| COOH
COf
H^* ^>SH
COf 2 L-CYS рсбАВ | АСУ-сиитстаза H3N\ _ NH SH
C°2 £-val
COf о
LDD-ACV
• COOH
PcbC | Изопенициллин N-синтетаза (циклаза)
H3N\ _ NH e
Изопенициллин N
/ X COOH IPN-амидолаза ZpenDE ce/D^X Эпимераза
6-APA
Ацил-КоА: 6-APA- / ацилтрансфераза / pen DE
HjN*
COf 0
Пенициллин G
NH s
I I Пенициллин o^N<
H3N
ce/E |NH _S
COf О Q<
COOH
DAOC-синтетаза (экспандаза)
Дезацстокси- цефалоспорин (ДАОС)
/ COOH ce/T / DAC-синтетаза
H
HjN
NH S
COf О Q<
7-а-окси-ОСОАСcmcl
ОСН,
CH2OCONH2 COOH
Цефалоспорин с
OH
Дсзацетил- цефалоспорин с (DAC)
COOH
cmcH о-карбамоил-DAC erne I
Цефалоспорин с-синтстаза
c^G
О Ac
COOH
Цефалоспорин c
Класс 0-лактама
Структура
Пенам
Грибы
Грам(+) Грам(-)
Цефем
Клавам
Карбопенам
Монобактам
Aspergillus Penicillium Epidermophyton Trichophyton Polypaecilium Malbranchea Sartoria Pleurophomopsis
Cephalosporium Anixiopsis Arachnomyces Spiroidium Scopulariopsis Diheterospora Paecilomyces
Strepfomyces Nocardia
Strepfomyces
Strepfomyces
Nocardia
Flavobacterium Xanthomonas Lysobacter
Seratia
Erwinia
Pseudomonas Gluconobacter Chromobacter Agrobacter Acetobacter
Рис. 75. Структура р-лактамовой группы у разных микроорганизмов
пенициллина в нормальных штаммах Penicillium chrysogenum и его не следует добавлять в среду роста. Для нейроспоры, дрожжей и Р. chrysogenum показано, что лизин подавляет фермент, контролирующий синтез раннего продукта биосинтетического пути — гомоцитрата, гомоцитратсинтетазу (подобно тому, как ароматические аминокислоты подавляют синтез дезоксиарабиногеп- тулезонат-7-фосфата, см. с. 224). Добавление в среду а-амино- адипиновой кислоты (другого предшественника лизина) не только восстанавливает синтез пенициллина в присутствии лизина, но резко увеличивает выход пенициллина у ауксотрофных по лизину мутантов. а-Аминоадипиновая кислота оказалась наиболее вероятным соединением, начиная с которого биосинтетический путь разветвляется на лизин и пенициллин. Об этом свидетельствует тот факт, что ауксотрофные по лизину мутанты, у которых генетический блок находится перед образованием этой кис- 234
лоты, не продуцируют пенициллин, а мутанты, у которых блокирован синтез лизина после нее, — продуцируют нормально. Поэтому была предложена следующая схема биосинтеза пенициллина:
а-кстоглютарат + ацетил-КоА
цис-гомоакониат
I
гомоизоцитрат
1S - (а-аминоадипил)-L- цистеин5-(а-аминоадипил)-£-цистеин- |D-валинизопенициллин Fбензилпенициллин(пенициллин G)1S - (а-аминоадипил)-L- цистеин5-(а-аминоадипил)-£-цистеин- |D-валинизопенициллин Fбензилпенициллин(пенициллин G)а-кетоадипат
1
S - (а-аминоадипил)-L- цистеин
5-(а-аминоадипил)-£-цистеин- |D-валин
изопенициллин F
бензилпенициллин(пенициллин G)
1
S - (а-аминоадипил)-L- цистеин
5-(а-аминоадипил)-£-цистеин- |D-валин
изопенициллин F
бензилпенициллин(пенициллин G)
S-аденил-аминоадипиновая
Iкислота
S-аденил-а-аминоадипиловый
Iполуальдегид
а-аминоадипиловый полуальдегид сахаропин лизин
Как видно из представленной схемы, во-первых, начальные пути биосинтеза пенициллина совпадают с биосинтезом лизина, и, во-вторых, в состав пенициллина включены и другие аминокислоты из числа 20 канонических — цистеин и валин. Поэтому
в регуляции направленного биосинтеза пенициллина используют способы регуляции биосинтеза аминокислот, а именно: 1) не
вносить лизин в питательную среду во избежание торможения начальных этапов биосинтеза конечным продуктом; 2) получить
регуляторные мутации с конституционным синтезом первичных ферментов биосинтетического пути, не отзывающимся как на
содержании лизина в среде, так и на его внутриклеточном содержании; 3) получить мутации структурных генов, нарушающие конечные этапы биосинтеза лизина после точки разветвления, чтобы первичные продукты были бы использованы исключительно для синтеза пенициллина, а необходимый лизин добавлять в среду: 4) получить регуляторные мутации биосинтеза цистеина и валина, не отзывающиеся на их присутствии в среде, и т.д.
Конечные (после точки разветвления) этапы биосинтеза пенициллина состоят из нескольких шагов (см. рис. 74): I) соединение трех аминокислот — аминоадипиновой (А), цистеина (С) и валина (V) в трипептид с помощью фермента ACV-синтетазы; 2) циклизация р-лактамового кольца с помощью пенициллин- N-синтстазы (циклазы); 3) замена аминогруппы аминоадипино- вой кислоты на фенил с помощью ацилтрансферазы. При биосинтезе цефалоспоринов (см. рис. 74) происходит эпимеризация
остатка аминоадипиновой кислоты (из L- в D-форму) и превращение пятичленного серосодержащего цикла в шестичленный.
Первый фермент биосинтеза пенициллина (синтетаза) находится пол контролем гена рсЬАВ, второй — рсЬС, третий — penDE. Как структура этих генов (сцепление в один кластер и порядок расположения на хромосоме), так и высокая степень гомологии гомология рсЬАВ между грибами и бактериями по аминокислотному составу белков и нуклеотидному составу генов равна около 50%, а рсЬС сше выше - 60-75%) привели исследователей к парадоксальному заключению. Предполагается, что эти гены появились у грибов не при превращении прокариотной клетки в эукариотную 1,8 млрд лет назад, а гораздо позже (примерно 370 хин лет назад) вследствие горизонтального переноса участка хромосомы, несущего кластер генов. По-видимому, перенос произошел из генома грамположительных стрептомицетов, ибо эти гены у грамположительных бактерий имеют более высокий процент гомологии с грибными, чем у неотрицательных. Эти гены у грибов в отличие от большинства других, подобно бактериальным, лишены интронов. Все продуценты р-лактамов встречаются в почве, где, возможно, и произошел горизонтальный перенос группы сцепленных генов конъюгативными плазмидами, трансформацией ДНК или вирусной трансдукцией.
Селекция
Основной метод селекции продуцентов пенициллина — ступенчатый мутагенез, при котором выделенный из природы штамм подвергается обработке мутагенными факторами, и полученные наиболее продуктивные изоляты вновь обрабатывают. При этом полезно менять мутагенные воздействия на ДНК. Для того чтобы подобный тип селекции был бы действительно успешным, необходимо в каждом цикле точно отбирать именно мутантные плюс- варианты, а не изоляты, повышенная активность которых обусловлена естественным разбросом, вызванным ненаследственной вариабельностью. Поэтому для каждого штамма полезно иметь данные о естественной изменчивости (дисперсии признака) и от^р вести за ее пределами (2а — при заданной достоверности у5 % или За при заданной достоверности 99 %). В качестве при-
Рис. 76. Родословная высокопродуктивных штаммов Penicilliumchrysogenum (С. И. Алиханян, 1977).
ПР°ДУКТИВНОСТЬ исходного и конечного штаммов и про- поовеосниму nfMaHT°B 8'СДИНИЦах активности), цифры под стрелками — число риантов. ЭИ — обработка этиленимином; УФ — облучение ультрафиолетовым светом
д2/3
ЭИ | 303 вар. 162
ЭИ | 306 вар. 41
ЭИ | 195вар. 24 (Новый сорт) ЭИ | 276 вар.
130 вар. / YЭИ
ЧОО ед.
1250 ед.
0-176
1350 ед.
— м эи
^ 1500 ед.
/ Отбор на резистентность
/ к стафилококку НБ-40
1500 ед.
ЭИ
150вар. 22 /
ЭИ
286 /
150 вар. ЭИ
87 х ,
Iе
АН-11
| ЭИ
Г-31 (беж)
Ki
19 анастомозы
90 вар.
78
* х Wis 51-20 Io 11 анастомозыПОвар.
АН-3 -
1720 ед.
2510сд.
100 вар.
50
|уф
40
350 вар.
Гуф [уф
319
ЭИ
2750 сд.
105% — 1916 ЭИ 500 вар.
131369
110%* 1346 V-51-5
/ 30 анастомозы
127%*11о
118 * 125%
j УФ (870 вар.) 130% * 660—5000 ед.
. nnun^TH поюсювныс высокопродуктивных штам- К"” nai^ в 1970-х годах в СССР (рис. 76). Опыт мутагенных обработок, проведенных в различных лабораториях привел к следующим заключениям: 1) мутагенные обра- ботки повышают вариацию продукции пенициллина; 2) средний ^ожай пенициллина снижается; 3) наибольший выход (^-вариантов наблюдается при использовании не сублетальных, а промежуточных доз мутагена; 4) частота (-)-вариантов выше среди морфологически измененных, чем среди нормальных колоний, однако наиболее продуктивные штаммы образуют компактные колонии с слабо развитыми конидиеносцами и более мелкими кисточками; 5) ауксотрофы даже по продуктам, не связанным с основным биосинтетическим путем, могут оказать регуляторное влияние на биосинтез пенициллина вследствие предотвращения формирования или накопления интермедиатов.
Для скрининга изолятов, подвергнутых мутагенной обработке, можно использовать определение концентрации пенициллина в жидкой питательной среде после их ферментации или определение индекса продуктивности на твердой среде по диаметру лизиса чувствительных культур тест-бактерий (последний метод даст ответ в 20 раз быстрее первого и чаще используется для первичного скрининга).
Кроме высокой продуктивности любой промышленный штамм (а не только продуцент пенициллина) должен обладать и другими качествами: 1) быть генетически стабильным; 2) обильно продуцировать вегетативные клетки и споры; 3) хорошо расти и быстро накапливать инокулюм для засева промышленного ферментера; 4) утилизировать сложные органические вещества, в том числе фенилуксусную кислоту как предшественника боковой цепи; 5) не синтезировать пигменты, мешающие очистке основного продукта; 6) расти в форме компактных пеллет, легко отделяемых^ от среды после окончания ферментации; 7) сохранять свои свойства после длительного хранения; 8) быть отзывчивым на мутагенные воздействия.
Генетические основы селекции съедобных грибов вип^м^пи базиди°мицеты, к которым относится большинство ционн ™ВИРУСМЫХ съсд°бных грибов, по методологии селек- стениями ических работ имеют больше общих с высшими ра- черт, чем с микроорганизмами:
нишевых С растения» съедобные грибы культивируют ради роморфологич^к°В’ поэтому предметами селекции являются мак- и т Г признаки (количество и вес плодовых тел, ' ’ в то время как большинство промышленных 238
микроорганизмов, включая гоибы
гически активных веществ, поэтому прелмст^сГ" 5И°Л°' ляются биохимические продукты; рслмстом их селекции яв-
КуЛЬТИВациОННЫЙ ЦИКЛ этих ткКпп
нескольких месяцев) ппиближтяс» пп п Р< стянуг во времени (до лам некоторых высшихрастёний; ПР°Д“ДЬ^™ * ""к-
в жизненном цикле съедобных грибов, как и в цикле ших растении, преобладает функционально Сплошнаяto (п^ кариофаза), предполагающая наличие скрытого резерва измен- чивости в виде рецессивных генов;
для них (как и для высших растений) гибридизация способная привести к объединению положительных качеств родителей и усилению урожая вследствие гетерозиса, является более важным селекционным приемом, чем мутагенез, при котором рецессивные мутации в дикарионе будут маскироваться доминантными аллелями дикого типа.
Вместе с тем способность к росту гомо- и гетерокариотичных штаммов на стандартных искусственных питательных средах в строго контролируемых условиях, использование селективных сред для отбора единичных мутантов, рекомбинантов или трансформантов из огромной популяции, небольшой геном, удобный для проведения манипуляций с рекомбинантной ДНК, — все это объединяет съедобные грибы с микроорганизмами и облегчает проведение селекционных работ с ними.
Рассмотрим генетические способы улучшения сортов съедобных трибов.
Классическая селекция преследует две задачи:
создание максимума изменчивости в изучаемой популяции;
отбор в варьирующей популяции нужных генотипов.
Оценки изменчивости
Изменчивость можно анализировать в i организмов или искусственно увеличивать ее с помощью мугаге неза или рекомбинации^^ ^^ признакам _ от
Оценивать изменчивость мож ппппплится селекция, до хозяйственно-ценных, ради моторы степень неоднородности молекулярных, которые указ ^^ с коммерЧески важными популяции, но могут бьстепень неоднородности по-
ее признаками. Наиболее то i ДоагмСнтов ДНК выбранных пуляции указывает п”"*“°,^ззд ^иючитсльно с неоднород-
Лнзч ибо белки - непосредственные продукты генов, отстоя- ш е от них всего на один метаболическим шаг. Однако экспрес- "тех или иных генов и. следовательно, наличие или отсуг- стъие соответствующих им белков, может меняться в зависимое- ти от фазы жизненного никла, а иногда и от условии роста орга- низма Хозяйственно важные признаки, такие как число и вес толовых тел, их форма, окраска, сроки наступления волн пло- юношения и т.п., удалены от кодирующих генов на много мета- болических шагов, и, поскольку возможно влияние условий жизни на метаболическую экспрессию каждого шага, не исключена ошибка, при которой за генетическую изменчивость будет принята морфологическая вариабельность, обусловленная особенностями роста организма. Возникает серьезное противоречие: показатели, надежно фиксирующие генетическую вариабельность популяции, не связаны с практически важными признаками, а последние не надежно фиксируют генетическую изменчивость. Поэтому при изучении изменчивости признаков, ради которых проводится селекция, необходимо оценить степень вклада в нее генотипа методами математической генетики.
Вариация любого признака организма зависит как от его генотипа, так и от условий его жизни. Эта двойная зависимость описывается уравнением
Ур = yg + Уе, где Ур — фенотипическая варианса; yg — генотипическая вари- анса; Уе — варианса, обусловленная внешней средой (экологическая варианса). Вклад экологической вариансы устанавливают по поведению одного генотипа в разных условиях жизни. Генотипическая варианса более сложна, ибо часто контролируется несколькими генами, которые к тому же могут взаимодействовать Друг с другом. Допустим, на проявление какого-либо признака оказывает влияние локус А с двумя аллелями — А1 и А2, причем гомозигота А1А1 обеспечивает наибольшее количественное выражение признака, а А2А2 — наименьшее:
Генетическую вариансу, обусловленную гомозиготой А1А1, обозначим как у]] = т + а, вариансу гомозиготы А2А2 — как yzz- m-a,a вариансу гетерозиготы - у 12= т + d, где т - сред- d — гомозигот'» а — 1/2 различий между гомозиготами, сто пнлеНИС гетеР°зиготы от средней между гомозиготами. Ча- сколькпиР^иа*3 оказывают влияние не один, а не-
проделать и с ними” Л”)- Поэтому подобные же процедуры можно
B1 и 52и т-Д- нет взаимодей- тическая+ у22) = т. В этом случае общая гене-
юших данный п ° о$условлена лишь числом локусов, определя- ризнак, и называется невзаимодействующей, или 240
аддитивной (/1). Часто mu
ление признака ок.™°^~.еио„ „, llpiw„.
действие аллельных генов называв , 0 Г«заимо-
зываст на отклонение показателя гГЛози^ °"аука" гомозиготами и имеет величину d (прГЛГ.Л Срсл"сг0 мсм> доминантность аллеля А1 нал А?1"млюлается полная
ных генов возможно~
при котором одни гены влияют на ппояГГГЛГ^^
уравнением Ра,°М’ ЩаЯ ГС"еТИЧССКа" -арианса описывается
Vg= Va+ Vd + И/, а общая фенотипическая
Vp = Va + Vd^ И/+ Ve.
Отношение генетической вариансы к общей фенотипической называется коэффициентом наследуемости*.
Н1 = Vg / Vg + Ve.
Как видно, чем выше вклад генетической вариансы в общую изменчивость признака, тем эффективнее отбор генетически измененных вариантов в популяции.
Чтобы оценить вклад генотипа и среды в изменение интересующего селекционера признака, не обязательно проводить скрещивания. Достаточно сравнить вариацию признака у генетически однородной линии грибов (например, моноспорового штамма) с другими генетически однородными линиями. Если различия между повторностями одного штамма меньше, чем между штаммами, то генетическая компонента дает вклад в вариацию признака. Для полной рендомизации опыта отдельные повторности лучше разделить на несколько блоков (например, для изучения скорости роста колоний на агаре каждую чашку Петри инокулировать тремя повторностями и сделать 2—3 чашки — блока). Тогда полный опыт будет иметь следующий вид (табл. 29).
На основании полученных данных проводится двухфакторныи дисперсионный анализ (первый фактор - штаммы, второй - блоки).„
После этих предварительных замечании рассмотрим эффектив- ность различных приемов отбора в целях генетического улучше- ния штаммов съедобных грибов.
Вычисление варианс проводится, как показано с .•
Достоверные отличия варианс от нуля о^»»^™М>' рию Фишера для соответствующего числа степе
Например, в опытах
чал и линейную скорость роста 100 штаммов осп^ир .
т.блниа 29 Схема записей результатов опыта по оценке вклада ~™ко« вариансы в прочие количествепп.г. признака
Штаммы
Блоки (чашки Петри) и повторности (колонии)
Сумма
Среднее
AI
А2
1
2
3
1
2
3
В1 В2 ВЗ
Вл
Сумма
—
Среднее
Таблица 30. Значения показателей генотипической и средовой варианс по результатам дисперсионного анализа
Градации
Степени свободы
Вариансы
Между штаммами
5- 1
t^e + pt^g
Между блоками
Р- 1
<?е + <?р
(Штаммы) х (блоки)
(5-1) х(р-1)
<?е
Общая варианса
Sp-1
Примечание. 5 — число штаммов; р — число блоков; а2е — варианса, обусловленная влиянием внешней среды; eg2 “ генетическая варианса; а2р — варианса между повторностями.
в двух рендомизованных блоках. Были получены следующие данные (табл. 31).
Как видно, различия между штаммами значительно большие, чем между блоками, следовательно, генетическая варианса имеет высокий показатель. Варианса, обусловленная внешней средой, о е = 5,72 (табл. 31), а генетическая варианса a2g = 1/2(85,60 -
Таблица 31. Результаты дисперсионного анализа скорости роста штаммов S. commune (C.E.Caten, J. Jinks, 1968)
Г радации
Степени свободы
,Вариансы
Между штаммами (Р)
99
85,60
Между блоками (В)
1
5,82
Р X В
198
5,72
Таблица 32. Коэффициенты наследуемости и «пи "P"3"»*»» шампиньон, (И. Н. Рыбакова „ лр„ 19’9"“"'
Признак
И1
СУ
Урожайность
0,53
67,46
Число плодовых тел
0,80
87,31
Средняя масса плодового тела
0,66
20,06
Средняя масса шляпки
0,86
22,40
Средний диаметр шляпки
0,71
6,99
Средняя высота шляпки
0,60
3,10
Скорость роста мицелия: на пшеничном агаре на компостном агаре
0,71
0,73
73,12
34,78
Примечание. Н1 — коэффициент наследования; СУ — коэффициент вариации.
Таким образом, суммарный вклад генотипа и среды в вариацию скорости роста (100 %) = 39,94 + 5,72 = 45,76; Vg = 39,94 х 100/ /45,76 = 87,3%; Ve = 12,7%.
В табл. 32 в качестве примера приведены данные по изучению наследуемости и вариабельности некоторых количественных признаков у 32 сортов шампиньона из коллекции совхоза «Заре-
чье».
Все исследованные признаки шампиньона имеют высокие коэффициенты наследуемости, причем самый низкий показатель (0,53) имеет наиболее важный признак — урожайность. Это можно объяснить тем, что признак «урожайность» искусственный, складывающийся путем перемножения двух других признаков — «число плодовых тел» и «средняя масса плодового тела». Для того чтобы отбор был эффективным, необходимы не только высокая доля наследственной вариации, но и высокий уровень самой вариации, ибо при ее отсутствии не из чего выбирать. Как видно из данных табл. 32, слабо варьируют мерные признаки (диаметр и высота шляпки), в то время как число плодовых тел оказалось чрезвычайно варьирующим. Высокая степень вариации этого признака сопровождается высокой долей генетической вариации. Поскольку число плодовых тел положительно коррелирует с урожайностью (коэффициент корреляции между этими показателями в проведенных опытах составил 0,81), этот признак, по- видимому, является центральным при отборе сортов на продуктивность.
После этих предварительных замечаний рассмотрим эффективность различных приемов отбора продуктивных штаммов съсдо ных грибов в варьирующей популяции.
Использование природной изменчивости
В оличис от высших сельскохозяйственных растений, которые имеют тысячелетнюю историю народной селекции и более сотни чет научной генетики и селекции, грибы недавно введены в куль- npv и топько культивирование сиитакс в Восточной Азии и шампиньона в Европе насчитывает несколько столетии. Лишь с несколькими видами в последние десятилетия начата интенсивная селекционная работа. Поэтому потенциал природной изменчивости съедобных грибов огромен, и дикорастущие штаммы продолжают оставаться богатейшим резервом для улучшения коммерческих сортов. Так, выделенный Л. В. Гарибовой из природы штамм шампиньона N273 вследствие удовлетворительной урожайности и высокой экологической пластичности (способности сохранять урожайность даже в плохих условиях культивирования) долгое время выращивался во многих хозяйствах бывшего СССР. В 1928 г. в одной из голландских теплиц был обнаружен сросток шампиньонов белой окраски (природные штаммы шампиньона имеют коричневые или бежевые плодовые тела), возникший, по-видимому, в результате спонтанной мутации. Этот сросток дал начало серии европейских белых сортов. Обнаруженные во Флориде (США) дикорастущие штаммы вешенки плодоносят при повышенной температуре (большинство европейских и азиатских штаммов этого гриба требуют для перехода от вегетативного роста к плодоношению резкого снижения температуры — «температурного шока», что значительно удорожает производственный процесс). Флоридские штаммы дали начало большому числу «бесшоковых» сортов.
Однако эффективность эксплуатации природной изменчивости по мере улучшения качества культивируемых сортов и условии культивирования снижается. Природные штаммы не выдерживают конкуренции с современными селекционными сортами.
Мутагенез
утагенез — универсальный прием увеличения генетической изменчивости, полезный не только для улучшения хозяйствен- пРизнаков» но и Для получения маркерных призна- п ’ ^е° ходимых ДДЯ контролируемой гибридизации, слияния Рма”ипУлячий с ДНК и пр. Иногда эти задачи уда-
Т ^пп.«лтеС1ИТЬ' "апример, в лаборатории английского генетика ные * ЫЛИ получены мутанты Agaricus bisporus, резистент- паоазитпм ициду беномилу. Беномил используется для борьбы с зистент шампи»ьона грибом Verticillium fungicola, поэтому ре- эАсЬективил к СНОМИЛУ штаммы шампиньона позволяют более ороться с болезнью. Вмести с тем моногенная ре- 244
ЗИСТСНТНОСТЬ К бснОМИЛУ — ХОООШИЙ uinvnn
ДОВ на среде с фунгицидом. Р * ‘Р Р шспра гибРи- Культивирусмый шампиньон имеет vhhkwm.iu
ЦИКЛ - псевдогомоталлизм (=„. с. 203?^"^^ лученные при мутагенной обработке спор, сохранятся и п пло- ^ЫХ телах- Однако поскольку споры шампиньона многоядерные отбирать можно только доминантные или полудоминантныс мутации, ибо рецессивные мутации будут маскироваться аллелями дикого типа в гетерокарионе. У большинства других съедобных грибов вследствие одноядерности спор можно выделять и рецессивные мутации, но их влияние на фенотип плодовых тел можно будет оценить только после скрещиваний.
С помощью мутагенеза можно решать ряд проблем, связанных с модификацией отдельных генов, например создание бесшоковых и аспорогенных сортов вешенки (споры вешенки — сильные аллергены), устойчивых к болезням и вредителям сортов шампиньона и т.п.
Рекомбинация
Рекомбинация имеет гораздо больше возможностей, чем мутагенез, так как позволяет подбирать необходимые изменения, а не искать их среди случайно возникших. Эффективность рекомбинации зависит от ее типа (табл. 33).
Таблица 33. Механизмы и способы генетической рекомбинации у высших базидиальных грибов (К. Esser, F. Meinhardt, 1986, с добавлениями)
Механизм
Половая гибридизация (рекомбинация при мейозс)
Способы
Возможности
Скрещивание гаплоидных мицс- лиев, гетсроал- лсльных по mat- локусам
Соединение хозяйственноценных признаков двух сортов, увеличение урожайности вследствие гетерозиса
Вегетативная (парассксуальная) рекомбинация при митозе
Слияние протопластов или дика- риотичсских ми- цслисв
Передача сорту полезных признаков из родственных видов грибов, разделенных барьером половой несовместимости; получениегибри- дов у автофертил ьных видов—
Генетическая трансформация
Клонирование генов и введение их в геном с помощью векторов
Введение жслапльмм-' из любых организмов. независимо от их филогенетического родства с реципиентом, улучшение сорта ио моном<- .юконфолир^мым^тризна^
245
Половая гибридизация
Большинство съедобных грибов имеет половое размножение в жизненном цикле. Их споры самостерильны, поэтому для формирования плодового тела необходимо скрещивание изолятов, гетеродпельных по одному (при биполярном типе несовместимости) или двум (при тстраполярном типе) факторам спаривания Дикариотическис мицелии многих грибов отличаются от гомокариотических по морфологии (фактуре мицелия, скорости роста) или цитологии (наличию пряжек), поэтому наличие гибридов можно установить и без использования генетических маркеров. У наиболее широко культивируемого гриба шампиньона двуспорового споры в массе исходно гетероаллель- ны по локусу спаривания и, следовательно, автофертильны. Поэтому для гибридизации культивируемого шампиньона предварительно выделяют редкие гомокариотические споры, которые формируют медленно растущие колонии. Долю таких спор в популяции можно значительно повысить предварительным центрифугированием в градиенте плотности сахарозы. Можно также выделять одноядерные вегетативные клетки протоплас- тированием мицелия.
Гибридизация сельскохозяйственных растений имеет длительную историю и хорошо разработанную теоретическую основу. Разработана генетическая теория подбора родителей на основе их общей и специфической комбинационной способности, т.е. способности передавать свои признаки потомству. Как сказано выше, генетическая варианса складывается из невзаимодействующей (аддитивность) и взаимодействующей (доминантность, эпистаз) компонент. Сумму аддитивных эффектов всех генов [а] называют селекционной ценностью сорта, она является основой для определения общей комбинационной способности сорта, т.е. его способности передавать свои высокие качества гибридам. Сочетание доминантных и аддитивных варианс определяет специфическую комбинационную способность (табл. 34). Применительно к базидиаль- ным грибам Schizophyllum commune, Flammulina velutipes подходы к анализу комбинационной способности штаммов разрабатывались в ла оратории Дж.Джинкса в Бирмингемском университете (Великобритания).
Из плодового тела было выделено по 6 моноспоровых изолятов каждого типа спаривания (А1В1, А2В2, А1В2 и А2В1) и про- П0РаРные скрещивания совместимых штаммов (36 кроены —7 A1B1 х А2В2 и 36 кроссов второй груп-
Х ‘ Исследовали интересующие признаки (ско- и т п 13 мицелия» время начала плодоношения, урожайность нов F1 исходного Дикариона, 24 монокарионов и 72 дикарио-
Т а б л и l
Градации
Между кроссами
Между блоками
а j4. Схема расчета вй
Степень свободы
(/"х т) -1
1
/-1
т - 1
V- 1) X (/71 - 1)
рианс
Дарианеы
_°г? + noGi
(3) Блоки х кроссы Деление 1-й градации: (4) Между «отцами» (5) Между «матерями» (6) «отцы» х «матери»
_°^ + (/ х Л1)дп2
°к2
°Е2 + ЛО|2 + л/истр,2 сгЕ2 + /Ю|2 + л/оР12 Ор2 + /1О|2
™^ - Экологич'«« -ариаиса; „,’ - леа^Хнм Ж™ :■ ?:^по1'— °т
'• pi ** ®Р2 аддитивные генетические помноженные на число наблюдений (л х/и п х т¥ о компонента вариации; а^ - вариация повторностей ((
1 спаривания;т — «матс- я; л - повторности (бло- гснстичсская варианса (с величин, основанных на компоненты родителей,
з — общая генетическая блоков).
Вычисления компонент проводят следующим образом:
^е2 = (3); Ст]2 = [(6) - (3)]/л;
°pi2 = [(4) - ^/пт; стР22 = [(5) - (6)]/л/
Общая аддитивная варианса равна сумме двух родительских варианс.
Приведенная выше информация полезна для подбора родительских пар. Необходимо, чтобы они имели, во-первых, высокую генетическую вариансу по признаку, который подвергается отбору, во-вторых, высокий аддитивный ее компонент и, в-третьих, различия по Многим аддитивным генам. При наличии этих генетических особенностей возможен эффективный отбор потомства в скрещивающихся популяциях. По мере того, как все большее число благоприятных комбинаций генов будет попадать в отбираемую линию, эффективность отбора будет падать. Этот процесс одновременно будет сопровождаться снижением у них генетической вариансы. Следовательно, все гены, обеспечивающие наследование отбираемого признака, перешли в гомозиготное
состояние.
Отсюда еще одно важное для селекции понятие — селекционный лимит сорта, представляющий собой максимальное среднее популяции, достигаемое длительным отбором. Время, требуемое для достижения селекционного лимита, зависит от числа расщепляющихся а потомстве генов. Чем их больше, тем дольше время (число генераций), необходимое для достижения лимита. ке^тел эффективнее отбор. При 10 аддитивных генах в отсутствие взаи
молсйствуюшей вариансы один никл отбора снижает расстояние до селекционного лимита на 0,22, а при 100 генах — на 0,07. Для повышения эффективности отора у штаммов, приблизившихся к селекционному лимиту, необходимо привлекать для скрещивания новые штаммы, имеющие иные аддитивные гены.
Имея описанные выше данные, можно определить минимальное число эффективных факторов, влияющих на количественные признаки. — quantitative trait loci (QTL). Этими факторами могут быть отдельные гены или их блоки.
Число QTL (к) = '/4(Р1 - Р2)/ас2или, более точно, £ = ^ (градация F1) 2/4.
Использование молекулярных маркеров в селекции
Выделение гомокариотнческих штаммов. Ранее говорилось о том, что культивируемый шампиньон вследствие псевдогомока- риотического цикла имеет автофертильные споры, поэтому для проведения скрещиваний необходимо выделение гомокариотичес- ких спор. В связи с тем что ни один морфологический или цитологический признак не позволяет однозначно отделить гомока- риотические колонии от гетерокариотических, для этой цели удобно использовать молекулярные маркеры.
Изоферменты, аллели которых кодоминантны, могут быть использованы для дискриминации гетерокарионов, дающих больше, чем у гомокарионов, полос на электрофоретическом геле вследствие наличия гетерозиготных локусов. Для этих целей удобно использовать многолокусные ферменты, такие, как эстеразы (рис. 77).
RFLP-полиморфизмы ДНК, как и изоферменты, образуют кодоминантные локусы, но большее число маркеров делает этот метод более информативным, чем предыдущий. С помощью RFLP удалось построить физическую карту и карту сцепления генов шампиньона. Этот метод использован и для патентной защиты селекционных штаммов.
RAPD-полиморфизмы обеспечивают исследователя практически неограниченным числом маркеров. Однако метод требует высо- коочищенного препарата ДНК и имеет тот недостаток, что показывает наличие только доминантных локусов (рецессивные аллели представлены отсутствием полосы, и их трудно отличить от аллелей, нсамплифицированных в ПЦР). Используется также для ^^еления гомокаРиотичных штаммов и для паспортизации сор-
SCAR (Sequence Characterized Amplified Regions) наиболее широко используется при изучении генетики шампиньона. С помо- ью специальной программы подбирают пару ПЦР-праймеров 248
Рис. 77. Электрофоретические спектры изоферментов а- и В-эстепаз Agancus bisporus (О. В. Камзолкина и др., 1992) ₽ медленнорастущие (предположительно г’ровыс ПОТОМКИ; 11 — родительский пппт It 1 /миниспо-быстрое, моноспороеыс —7ГСТ^залась гетерокариотическойРис. 77. Электрофоретические спектры изоферментов а- и В-эстепаз Agancus bisporus (О. В. Камзолкина и др., 1992) ₽ медленнорастущие (предположительно г’ровыс ПОТОМКИ; 11 — родительский пппт It 1 /миниспо-быстрое, моноспороеыс —7ГСТ^залась гетерокариотическойSIIIIII : ВИШНИSIIIIII : ВИШНИ1-10 -1-10 -гомокариотичсские) моноспо-гомокариотичсские) моноспо-
Рис. 77. Электрофоретические спектры изоферментов а- и В-эстепаз Agancus bisporus (О. В. Камзолкина и др., 1992) ₽ медленнорастущие (предположительно г’
ровыс ПОТОМКИ; 11 — родительский пппт It 1 /миниспо-
быстрое, моноспороеыс —7ГСТ^
залась гетерокариотической
Рис. 77. Электрофоретические спектры изоферментов а- и В-эстепаз Agancus bisporus (О. В. Камзолкина и др., 1992) ₽ медленнорастущие (предположительно г’
ровыс ПОТОМКИ; 11 — родительский пппт It 1 /миниспо-
быстрое, моноспороеыс —7ГСТ^
залась гетерокариотической
SIIIIII : ВИШНИ
SIIIIII : ВИШНИ
1-10 -
1-10 -
гомокариотичсские) моноспо-
гомокариотичсские) моноспо-
и амплифицируют полосы известных размеров и последовательностей. ЬСАК-маркеры обычно доминантны, не требуют высокой очистки ДНК.
Селекция гибридов. Использование молекулярных маркеров позволяет селекционеру отобрать в потомстве от гибридизации изо- ляты, несущие желаемый ген по сцепленному с ним маркерному гену. Так, показано, что у культивируемого шампиньона локусы, контролирующие тип спаривания и число спор на базидии на хромосоме I тесно сцеплены с RFLP-локусом pin 150 и изофермент- ными локусами РЕР1 и РЕР2; локус, определяющий цвет шляпки, сцеплен с изоферментным локусом ADH и SCAR-маркером L-43. У вешенки Pleurotus ostreatus аллели локусов спаривания А и
В сцеплены с генами, влияющими на скорость роста гомокарио- тичного мицелия. Монокарионы, имеющие аллель 42, росли быстрее, чем монокарионы с аллелью А1, а монокарионы с Bal рост быстрее монокарионов с Ва2. Это позволяет конструировать дикарионы, которыми быстро зарастает субстрат.
Картирование QTL. С развитием методов анализа ДНК появилась возможность картировать локусы, влияющие на количественные признаки (QTL), с помощью комбинации молекулярных и фенотипически проявляющихся. Для этого скрещивают штаммы, различающиеся по изучаемому количественному признаку (на- пример, скорости роста или урожайности) и изучаютJ”^"1 нис в потомстве по этому признаку параллельно с расшчтле
ем по большому числу молекулярных маркеров (RAPD, RFLP, SCAR) Анализ сцепления позволяет локшшзовать QTL на рестрикционной карте. Например, устойчивость шампиньона к бак- тепиальной пятнистости (возбудитель Pseudomonas folaas.D кон- третируется полигенно. Один из QTL сцеплен с геном, влияю-
шим на цвет шляпки.
Гетерозис
Еще один фактор, который надо учитывать при подборе скрещивающихся родительских штаммов, эффект гетерозиса, т.е. превышение численного показателя селектируемого признака у потомков по сравнению с родителями. Показатель гетерозиса определяют по уравнению
гетерозис (%) = {[(Pl - (PI + Р2)/2]/(Р1 + Р2)/2} х 100, где Р1 и Р2 — показатели признака у родителей; F1 — показатели признака у гибридного потомства.
Вегетативная гибридизация
У культивируемого шампиньона показано наличие парасексу- альной рекоминации, вследствие которой можно получить рекомбинанты по RFLP-локусам при слиянии гиф гомо-гетеро- и гетеро-гетерокарионов. Однако больше исследований посвящено соматической рекоминации, получаемой при слиянии не гиф, а протопластов, ибо при этом можно получать гибриды не только между штаммами одного вида, но и между видами грибов. Например, с помощью слияния протопластов получены гибриды между разными видами вешенок Pleurotus os treat us и P. cornucopiae NaT. citrinopileatus, P. ostreatus и P. saimoneo-stramineus и др. Гибридный характер регенерантов определяли по изоферментным и RFLP-локусам. Этот метод дает большие возможности для проведения гибридизации между видами, разделенными барьером интерстерильности.
Генетическая инженерия
Скорость зарастания субстрата, полнота его утилизации и, в конечном счете, урожай зависят от активности ферментов, секретируемых культивируемыми грибами во внешнюю среду. Съело ные культивируемые грибы способны продуцировать большое ело эк^ацеллюлярных гидролитических и окислительных фер- в, включая лакказы, эндо- и экзоцеллюлазы, целлобиазы, 250
протеазы, глюкозоамидазы, мурамил™, нуклеазы. Биодеструкционная ак и,^™"«ы "
природных биоценозах обеспечив™ п 6азилиа-'ькых грибов в целлюлолитических и липюлитичсских Ln"°B"0M КОМПЛ=ксом из них у таких коммерчески важных ьи РМС|,тов. гены многих Pleurotus osireatus, Phanerochaeta chrysoswrium ^ '1$”ПСЮ Ы$р0№- ризованы, но и клонированы a Л™ ’ ТОлько охаракте- рованы. Показано, что секоениясеквени-
стся не единичными генами а ™ ЮГИХ ^ерментов обеспечива- дифференцирован о эксп^ ссируемьТиТ^Г " ГСНа)- вития гриба. Кроме того, «nTZ и^ ™=™'ГО?Й’а и*«Уи-'РУ=тся под действием тех"^ веществ в среде (добавок, субстратов), например глюкозы азотсодержащих веществ и т.д. Например, целлюлолитическая активность у шампиньона наблюдается во время каждой «волны» пло- дообразования.
Можно отметить три основных подхода к повышению грибами секреции ферментов: 1) оптимизация условий культивирования; 2) селекция штаммов, в том числе с применением мутагенеза; 3) клонирование генов и достижение максимального уровня секреции с помощью рекомбинантных ДНК-технологий.
Современная молекулярная генетика позволяет проводить быструю идентификацию наличия в среде тех или иных секретируемых ферментов (по наличию пула мРНК) на разных стадиях жизненного цикла гриба и «находить» соответствующий им ген в библиотеке клонов тотальной ДНК данного организма (с помощью гибридизации). Обладая данной информацией, можно продвигаться дальше в направлении повышения активности данного гена, применяя методы генной инженерии, такие, как направленный мутагенез (site-directed mutagenesis), способный изменить активный центр белковой молекулы в направлении «суперсекреции» данного фермента, или «переносить» желаемые гены и получать трансгенные штаммы-продуценты.
Многие селекционные центры за рубежом инвестируют немалые средства в развитие современных подходов, основанных на молекулярных ДНК-технологиях. Можно отметитьуспешное раз- витие эффективной системы трансформации для бов - шампиньона и вешенки. Система трансформашш шампи, ньона основана на отборке трансформантов с помощью гена > тойчивости к гигромицину
формацию (или введение донор„ации («впрыскивани-
можно проводить как ^o^11^ «бомбардиро-
см» рекомбинантной ® ^ |вание* микроскопических час- вания» («баллистическое впрыскивание» лпнл||
тичек золота, покрытых донорной ДНК).
Agrobacterium tumefaciens.
д7Я проведения успешной работы по улучшению сортов нужно иметь четкие пели, ради которых можно проводить воздействие на процессы, регулирующие рост, развитие, старение и урожайность грибов. Эти важные процессы можно охарактеризовать, имея представление о генах, регулирующих их протекание. К настоящему времени изолированы и охарактеризованы многие гены и кДНК. Так, для шампиньонов охарактеризованы три целлюлазных гена — CELK CEL2t CEL3, дифференцированно индуцируемых целлюлозой, два лакказных гена LCC1, LCC2^ регуляция экспрессии которых осуществляется по-разному при наличии в среде деградированных мРНК этих генов.
Глава 9
генетика патогенности фитопатогенных ГРИБОВ
Ф-опатогенные три-
фунгициды вскоре теряют св^ю^Ф™^^ X" ления резистентных к ним штаммов. Поэтому исследование генетики фитопатогенных грибов имеет большое практическое значение.
Важнейшее свойство фитопаразитов — их патогенность.
Патогенность это способность вызывать повреждения у зараженного растения. В широком смысле патогенность рассматривается как комплекс признаков, отличающих паразитов от непа- разитов. Однако паразиты отличаются от сапрофитов большим числом признаков (и, следовательно, генов) — морфологических, физиологических, биохимических. Для изучения сложного понятия патогенность его можно разделить на качественную и количественную составляющие.
Качественная составляющая патогенности — вирулентность — представляет собой способность данного генетически однородного штамма паразита развиваться за счет генетически однородного образца растения-хозяина. По вирулентности виды фитопатогенных грибов дифференцируют на специализированные формы и расы. Специализированной формой (formae speciales) называют группу штаммов какого-либо вида гриба, которые, имея перекрывающиеся морфологические признаки с другими группами штаммов того же вида, отличаются от них способностью поражать определенный вид (или несколько родственных видов) растения-хозяина. Физиологической расой, расой по хозяину, или патотиполц называют группу штаммов, растений, имеющих одинаковые гены устойчивости В"язи с ка чсственным характером вирулентности нельзя говорить» fciee высоком или низком ее уровне, но мо^но характсризоють^расы с более или менее широкой вирулентностью "МР^^ этим число генетически разнородных образце р, жасмых сравниваемыми расами.
Штамм паразита
Сорт растений _
А
Б
С
а
1
2
1
b
0
0
4
с
4
4
4
Таблица 35. Пораженность образцов растений штаммами паразита (баллы)Таблица 35. Пораженность образцов растений штаммами паразита (баллы)Примечание. О — отсутствие пораженности; 4 — максимальная пораженность.Примечание. О — отсутствие пораженности; 4 — максимальная пораженность.Агрессивность — количественный компонент патогенности. Под агрессивностью понимают степень патогенности расы, т.е. способность вызвать массовое поражение восприимчивых растений — эпифитотию. В понятие агрессивности входят такие показатели, как минимальная инфекционная нагрузка, продолжительность латентного периода (от заражения до образования потомства), обусловливающая образование нескольких после
Таблица 35. Пораженность образцов растений штаммами паразита (баллы)
Таблица 35. Пораженность образцов растений штаммами паразита (баллы)
Примечание. О — отсутствие пораженности; 4 — максимальная пораженность.
Примечание. О — отсутствие пораженности; 4 — максимальная пораженность.
довательных генераций в течение одного сезона (полициклическое развитие), обильное образование потомства.
Таким образом, в отличие от вирулентности можно говорить
о большей или меньшей агрессивности.
Соотношение агрессивности и вирулентности показано на схеме (табл. 35).
Штамм а имеет широкую вирулентность (поражает все три сорта), но низкую агрессивность; штамм b — высокую агрессивность, но узкую вирулентность; штамм с — широкую вирулентность и
высокую агрессивность.
Таким образом, штаммы, авирулентные к данному сорту, для него не агрессивны, а вирулентные для него штаммы могут иметь
разную степень агрессивности.
Генетика патогенности
Вирулентность
На основании вирулентности фитопатогенные грибы разделяют на физиологические расы или расы по хозяевам. Обычно для выделения и идентификации рас генетически однородными изо- лятами из популяции заражают растения-дифференциаторы. Ме- тод-ы Дифференциации рас описаны во многих руководствах по фитопатологии. Здесь отметим лишь методы изучения генетики вирулентности.
Большое значение для изучения генетической природы вирулентности сыграли исследования ржавчинных грибов. Методы гибридологического анализа возбудителя стеблевой ржавчины Puccinia ^TiniS РазРаботали в 40-годах XX в. канадские фитопатологи ьютон и Т. Джонсон. Половой процесс у этого гриба проте- ает на листьях барбариса, где гаплоидные спермации оплодотво- 254
9
Канред
~0
Арнаутка 4
dX
Верна.! 4
36
4
1
0
9 х 36
0
4
0
Раса
Тип
Л ^ambiis/^"”^V« " "X «брило»
ряют гаплоидные гифы спермогониев. Образующиеся п™^ °”ВОреНИЯ двухъядерные (дикариотичес~ ражают пшеницу, на стеблях которой летом образуются урединио- споры, чьи ростки способны снова заражать пшеницу К^осеТв зараженных стеблях формируются покоящиеся телиоспоры где после зимовки происходят кариогамия и мейоз и формируются тетрады гаплоидных базидиоспор, осуществляющих первичное заражение барбариса. Спермации из возникших на зараженных листьях барбариса спермогониев переносят стерильной платиновой иглой в другие спермогонии. Если оплодотворяют спермогонии, возникшие в результате заражения базидиоспорами той же расы, то проводят инбридинг, если же переносят спермации в спермогонии, возникшие после заражения другой расой, — проводят гибридизацию. Поскольку Р. graminis гетероталличен и вероятность оплодотворения равна 50%, примерно половина оплодотворенных спермогониев сформирует на нижней стороне листа эции. Эциоспоры переносят на проростки пшеницы, не имеющей эффективных генов устойчивости, чтобы не потерять среди гибридных спор слабовирулентные сегреганты. Образующимися урединиоспорами заражают сорта пшеницы, контрастные по устойчивости к родительским штаммам ржавчины, и по реакции на заражение судят о доминантности или рецессивности генов вирулентности (табл. 36).
Как видно из таблицы, вирулентность расы 9 для сорта Арна- утка доминантна, а для сорта Верная рецессивна; вирулентность расы 36 для сорта Канред также рецессивна.
Потомство F1 можно довести до формирования ™ио™°Р’ затем повторить скрещивания, чтобы получить F2, F3, Ы т.д. ^ образом, вирулентность расы 9 к сорту W^J ролируется одним доминантным геном а к со^£^оп™. мя рецессивными; вирулентность расы 36 к сорту kawped опрел» ляется одним рецессивным геном.виоутентности в по-
Как видно, основной вклад в изменение вирулент тич. томстве имеют доминантные н (в некоторых сл) )
Т ч б а и u a ’>7 Растепление по »ирулс1тюстн к сортам пшеницы ' гибриде» И между расами 9 и 36 A У»"»""/- V- "»И (МJohnson, Т. Newton. 1946)
Сорт
Чисто гибридов, вызвавших реакции
Ожидаемое расщепление
0-1
4
Канред
227
98
243,7 61,3(3:1)
Армахтка
83
242
81,3: 243,7 (1 : 3)
Верная
307
18
304,7 20,3(15:1)
ныс гены, т.е. фенотипическая варианса на 80—90% обусловлена взаимодействующими генами, а вклад невзаимодействующих генов и внешних условий незначителен.
Используя описанный метод, Х.Флор провел перекрестный гибридологический анализ генов устойчивости льна к ржавчине и генов вирулентности возбудителя ржавчины Melampsora lini к льну (табл. 38).
Поскольку гетерозиготы хозяина и паразита (F1) соответственно устойчивы к обеим расам или авирулентны к обоим сортам, устойчивость и авирулентность управляются доминантными генами хозяина и паразита, а восприимчивость и вирулентность проявляются при наличии гомозиготных рецессивных аллелей доминантных генов устойчивости и авирулентности. В F2 отношение 3:1 устойчивых и восприимчивых к каждой расе гибридов
Таблица 38. Схема наследования устойчивости и вирулентности в системе «лен-ржавчина» (по X. Флору, 1962)
Раса паразита
Сорт хозяина
Fl
F2
Отношение
Оттава
Rl-r2r2
Бомбей
rlrlR2-
RlrlR2r2
по
(9)
32
(3)
43
(3)
9
(1)
R: S
22 (alalA2-)
+
-
+
+
—
3: 1
24 (Л/-а2а2)
+
—
+
—
+
3: 1
F1 ШаШ»2)
-
-
+
—
15: 1
F2 кА1-А2Л
-78 (9)
-
—
+
—
—
15: 1
{А1-а2а2}
-23(3)
+
—
+
3: 1
ValalA2^
-27 (3)
-
+
3: 1
(alala2a2)
+5(1)
+
+
+
+
+
-
(^однозначнойрсакция Устойчивости/авируленткости
( ) рсакция восприимчивости/вирулснтности.
рас гений и авирулентных, и вирулентна y ,
Дов паразита свидетельствует оРприс\ггстпи Каждому ^PW гибри- nonvHa' Наличис ^тырех классов реакций в доминантно- популяциях хозяина и паразита имеет™ ™ 2 Показь|ааст, что в шепляющихся гена. Расщеплет,е попади^рас"
разита, взаимодействующих с популяциями fP^” h™ па" акции на заражение соответствует I S i . F партнеров* по ре- чие взаимодействующих пар генов ’ Т° указь,васт на нали- ные привели Х.Флора к ZZ ? Wa и параэита э™ Энгенов (вернее, генопродуктов) хозяи^"иИИ взаимодействУ|°ших ванному как теория -^^" Паразита- сФормулиро-
*^рия еен на-ген Как видно из приведенной лицы, если растение обладает каким-либо доминантным геном устойчивости (Л/ у сорта Оттава или R2 у сорта Бомбей), то оно может поражаться лишь такой расой патогена, которая имеет комплементарный ему рецессивный ген а вирулентности (д7 у расы 22 или а2 у расы 24). Несовместимая реакция (устойчивости/ави- рулентности) проявляется только в том случае, если оба взаимодействующих гена (хозяина и паразита) доминантны.
Из теории Флора вытекает, что присутствие в геноме растения-хозяина доминантного гена устойчивости не выявляется при отсутствии соответствующего ему доминантного гена авирулент- ности (сорт Оттава поражается расой 22, а сорт Бомбей — расой 24, несмотря на наличие у них генов устойчивости R1 и R2 соответственно). В геноме паразита наличие доминантного аллеля ави- рулентности также не будет выявлено при отсутствии соответствующего ему гена устойчивости. Более того, в отсутствие каких-либо доминантных генов устойчивости хозяина соответствующие им гены вирулентности (рецессивные аллели генов авиру- лентности) паразитов также не будут выявляться.
Генетические исследования многих болезней растении, пос- ледовавшие после работ Х.Флора, в основном подтвердили его выводы. Было показано, что: 1) гены устойчивости (Я - от англ. resistance) чаше доминантны, а гены виРУ^т*0^'^ ~^“^ pathogenicity или а - от avtrulence) рецессивны 2) Я-генычасто аллельны или тесно сцеплены друг с: другом, = ^ны обычно расщепляются независимо; 3) Я- и /'-гены ооычни ствуют на основе теории “ген-на'ре“ независимо от взаи-
Первый вывод свидстельствус «тяинл возможны только недействующих генотипов паразита , ^ ^ -„инее" и "плюс" два результирующих фенотипа ИЛЛЮСТрНрустся при изображе- или 0 и 1. Это положение хорошо ^ •ш,аллельной
„ни взаимоотношении паразита и хозяин.
схемы (квадратной сетки) (^ зу^ генетиы( устойчиво-
Второй вывод из параллельц °'Содействий между партне- сти и вирулентности - ”““ “ урооне. в связи с этим встает рами не на геномном, а на генном >ро
Таблица 39. Диаллельные взаимоотношения хозяина и паразита в системе “ген-иа-гсн
Генотип растения-хозяина
Генотип паразита
АА (или Яд)
дд
RR ( или Rr)
-(R)
+ (S)
Rr
+ (S)
+ (S)
Примечание. R - устойчивость (несовместимость); S - восприимчивость (со
вместимость).
вопрос о необходимости изучения генетики партнеров только во взаимодействии, т.е. о межорганизменной генетике (Loegering, 1978). Возникновение межорганизменной генетики как отдельной дисциплины сделало возможным связать биохимические исследования факторов устойчивости растений и вирулентности паразитов с генетическими, т.е. перейти к анализу молекулярно-генетических механизмов вирулентности.
Агрессивность
Агрессивность, в отличие от вирулентности, — количественный признак, контролируемый многими генами и подверженный сильному влиянию не только генома, но и окружающей среды. Методы оценки количественных признаков и их генетического контроля описаны в предыдущей главе. Исследование агрессивности (процента зараженных колосьев) гибридов возбудителя головни ячменя UstHago hordei, проведенное канадскими фитопатологами Г.Эмара и Г. Сиду, показало, что 35—48% генетической вариации обусловлено внешними условиями и 42—43 % — аддитивными генами. Таким образом, общая вариабельность агрессивности на 80 — 90% обусловлена невзаимодействующими генами и внешними условиями.
Генетические системы, участвующие
в патологическом процессе
"РИМенение М0ЛекУляРных методов исследования позволило счрчпп^83™ ГСНЫ ^н^08’ влияющие на их патогенность, и исследовать кодируемые ими белки.
нопатогенеза в клетках грибов-паразитов последователь-
по пойрпу.!^ СЛедУющие процессы: прорастание спор и рост гифы □ессия rpunn°™’ трансдУкция внешнего сигнала в ядро и эксп- ционных участвуюЩих в патогенезе; формирование инфек- руктур, необходимых для внедрения в ткань; синтез 258
ферментов, деградирующих полимеры их .
покровы клеток и тканей; подавл ,„ V КОТОрь,х "«троены тельной ткани; питание и Формирование noi^ расти"
Рост гифы на поверхности растения
рану и, взаимодействуя с рецепторами интегринов соседних клеток, обеспечивают клеточную адгезию. Поскольку цитоплазматический «хвост» молекул интегрина короткий и не подвержен энзиматическому узнаванию, молекулы через адаптерный белок, связывающий интегрин с цитоскелетом, протеинкиназа- ми и трансмембранными рецепторами факторов роста, осуществляют трансдукцию сигнала. Этот путь трансдукции назван ин- тегриновым кластером. Интегрины обнаружены у грибов и ооми- цетов. Они необходимы для апикального роста гифы, ориентации микрофиламентов цитоскелета и прикрепления гиф к поверхности, а также обеспечивают тигмотропизм — рост гифы строго перпендикулярно антиклинальным клеточным стенкам эпидермальных клеток (такой рост облегчает нахождение устьиц).
Гидрофобины. Среди рано экспрессируемых генов Magnaporthe grisea изолирован ген MPG1, продукт которого низкомолекулярный белок гидрофобии необходим для прикрепления гифы к гидрофобной поверхности листа и образования инфекционных структур (апрессориев).
Трансдукция сигнала
Пепвый этап трансдукции - принятие внешнего сигнала и перенос его через цитоплазматическую мембрану. У Magnaporthe О? гидрофобной
цептор, контролируемый геном РТ/Ш, ре ^ (ге критическое звено в пути распростр которые направляют по- теромерные белки, связываюши клетки. Их молекулы состоят ток сигналов от рецепторов в утр цепеГь называемых (от из трех субъединиц - "°^'п™т“ „^единица специфична, большей к меньшей) а, р Y""я в состоянии покоя все
тогда как остальные могут нс ^^ ‘котором а_Субъединица свя-
три единицы образуют к.принятия сигнала ре-
c G-бсзком вследствие чего а-субъединица освобождает ГДФ. Его место сразу же занимает ГГФ, активируя тем самым a-субъединицу, которая отделяется от комплекса и движется в цитоплазму, где связывается с эффектором, активизирует его фосфатом ГГФ и, опять имея связь с ГДФ, возвращается на место в G-комплекс.
У возбудителя рака каштана Criphonectria parasitica клонированы два гена, кодирующие а-субъединицу G-белка: gpg-1 и gpg-2. Продукт первого белок GPG-1 имеет высокую область гомологии (98 %) с GNA-белком Neurospora crassa. Многие штаммы С. parasitica имеют слабую вирулентность и измененные морфологические признаки вследствие зараженности вирусом, обладающим двухцепочечной РНК (гиповирусом, с. 57). Уровень содержания белка GPG-1 в мицелии, зараженном гиповирусной dsPHK, оказался очень низким. Редукция уровня белка GPG вследствие ко-супрессии антисмысловой копией gpg-1, как и де- леции в обоих генах, вызывали редукцию мицелиального роста, изменение морфологии колонии (снижение пигментации, аспо-
И Лиганд
Рис. 78. Схема, показывающая, как гиповирус (НИ) блокирует индукцию факторов вирулентности Cryphonectria parasitcia, таких, как ферменты, деградирующие клеточную стенку растения-хозяина (целлобио- гидролазы и др.) (P.Tudzynski, E.Tudzynski, 1998):
R - рецептор; G-бслок - белок, связывающий ГГФ; ebh-1 — ген целлобиогид- ролазы 1
рогснпость, женскую стерильности
казы и падение вирулентности -активнос™ лак-
ныс с теми, которые наблюдаются^™ метаболизма, сход- (см. с. 57). В частности, прекращались ^вирулснтных штаммов не л л об и о гидролазы (с/i/) и секреция И^УКЦИЯ исллк>лоз°й гена рого гена (cpg-2) не влияли „а вирулентнмТполз ^™ ВТ°’ форилированный a-белок активирует ад^Тилци,^^ = :х=—"^
Н=за (. частности, ЛЛ, Гипоаирус, со емоИ^то^им^ХГ ется в этот путь трансдукции (рис. 78).Р ’ вмсшива"
ни^ЛмФ°РМИ^ВаНИЯ апРесс°Риев У возбудителя пирикуляриоза риса Magnaporthe grisea необходима активность гена РМК1. Гомо- логи этого гена у других возбудителей пятнистостей РТК1 Pyrenophora teres и СМК1 у Coiletotrichum lagenarium, а также ВМР1 — у некротрофа Botrytis cinerea, FMK1 - у сосудистого патогена Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici и FUZ7 — у возбудителя пузырчатой головни кукурузы биотрофа Ustilago maydis не влияют на линейный рост и спороношение, но необходимы для проявления патогенности. Эти гены контролируют синтез митогенактив- ного белка (МАР) киназы, аналогичной дрожжевой киназе Fus3 (с. 162). Этот белок регулирует содержание внутриклеточной цАМФ в апрессории.
Формирование инфекционных структур
Ростковая трубка ржавчинных грибов образует над устьицей апрессорий, из которого вертикально вниз растет гифа. В подустьичном пространстве она образует расширение — подустьичное вздутие, от которого в окружающие клетки вырастают инфекционные гифы, внедряющиеся непосредственно в клетки (рис. 79). Такой морфогенез протекает в зараженных клетках, но отдельные его этапы можно индуцировать in vitro выращиванием на ка - лоидных мембранах, циклическими мононуклеотидамигор. ном созревания растений этиленом и ДРУ-™™“0“™™ мгт- С помощью таких воздействий выделено нс^пк0'^
кальмодулин — белок, регул р)_; микротрубочек и мик-
Он необходим для изменения рй ’ поверхности гифы к
рофиламентов при переходе от р гликопрОтеины, связанные апрессорию. Белки Сар20 и р^ н^сн ^ форми.
с клеточной стенкойi anp~ J> • функционирования. В ап- ^хм» ^начинается биосинтез меланина - тем- 261
Рис. 79. Инфекционные структуры ржавчинного гриба (Л. Н. Андреев, Ю. М. Плотникова, 1989):
У — урединиоспора; РТ — ростковая трубка; А — апрессорий; ИГ — инфекционная шфа; ПВ — подустичное вздутие; МКГ — материнская гаустория; Г — гаусторий; Я — ядра растительных клеток; Хл — хлоропласты
неокрашенного пигмента, синтезирующегося полимеризацией поликетидного предшественника 1,8-дигидронафталина (рис. 80). Откладываясь в клеточной стенке апрессория, не контактирующей с поверхностью листа, меланин играет роль молекулярной ловушки, повышающей тургорное давление внутри аппрессория и способствующей росту инфекционной гифы внутрь листа. Му- ™ие светлоокРашенные гаустории, не инфекцион- биосинтезе меланина участвуют три несцепленных гена: ALB1, и Burl. Их мутации придают мицелию и гаусториям бе- Л>ю, розовую или темно-желтую окраску соответственно. Первый з этих генов контролирует синтез поликетидсинтетазы, второй — ™ГСГИДГО^ тРе™й “ НАДФ-зависимой полигидро- ксилнафталинредуктазы.
—У" yisea экспРессиРУется белок Psilp, который пинов г° мейству мембранных белков животных тетраспа- ответственипгЛКИ входят в комплекс мембранного сигналинга, жение Те же КЛСТОЧНУЮ адгезию, дифференциацию и дви- 4ункции — адгезию и дифференциацию — контро- 262
Ацетат
ALBI
2NHVER
Рис. 80. Поликетидный путь биосинтеза меланина грибами
(R.J. Howard, В. Valent, 1996):
4NH — mempo-оксинафталип; SCY — сшпалон; 3HN — триоксинафталин: VER - вермслон; 2HN — диоксинафталин; ALBI, RSYI, BUFI — положения блоков биосинтеза меланина соответствующими мутациями
лирует этот белок и в мембранах гаусториев. Интересно, что мРНК Psi 1 обнаружена во всех клетках, а белок — только в гаусториях, т. е. его регуляция осуществляется на уровне трансляции.
Наконец, в цитоплазме апрессориев обнаружен белок АСЕ1 с комбинированными ферментными свойствами поликетидсинте- тазы/ нерибосомальной пептиде и нтетазы. Продукт его ферментативной активности неизвестен, но, возможно, играет роль на ранних этапах взаимодействия гаустория с клетками хозяина.
В апрессориях синтезируются также факторы вирул^“^ циклоф^ликы, обнаруженные у бактерии, Ф”бов раетен!^^^ животных Циклофиллины имеют активность ферментов пепти дилпролилизомераз, которые участвуют во многих процессах, включая ответ на стресс, Реянию меточного ^ нальной системы, контроль репрессг гриба Magpoporthe укеа изомеризации пептидных "язей. Му^ы фийне
по гену, контролирующему си(Ваюг необходимого дм
инфекционны, их аП^“°Р“^
пробивания клеточной оболочки тургорного д^
лип требуется также для вирулентности по отношению к человеку гриба"Cryptococcus neofonnans. Циклофиллины являются также мишенью циклического онедекапептида циклоспорина — продуцируемого многими грибами иммуносупрессора позвоночных- животных и человека. Предполагают (Viand et al, 2002), что циклофиллин соединяется с кальмодулинзависимой фосфатазой — калышнсврином А, который также является мишенью циклоспоринов. У грибов кильциневрин необходим для патогенности, а у позвоночных — для экспрессии генов в Т-клстках. В частности. при связывании кальциневрина циклоспорином ингибируется экспрессия гена ИЛ-2.
Деградация растительных покровов
Кутикула. Гифы многих фитопатогенных грибов (возбудителей ложной мучнистой росы, пирикуляриоза риса, фузариозов и др.) внедряются непосредственно в эпидермальные клетки. При этом грибной гифе необходимо преодолеть барьер в виде кутикулы, покрывающей большинство органов растений. Кутикула представляет собой нерастворимый кутин (полимер С|6—С!8 жирных кислот, соединенных эфирными связями), погруженный в гидрофобный комплекс — воск, состоящий из неполярных С20—С32 алифатических соединений — углеводов, жирных кислот, спиртов, эфиров. Разрушение кутинового барьера осуществляет фермент кутиназа, которая катализирует гидролиз эфирных связей (обладает эстеразной активностью). Кутиназа — индуцибельный фермент, который экспрессируется гидролизатом кутина и репрессируется глюкозой. У паразита гороха Fusarium solanif sp. pisi не- оольшая концентрация кутиназы образуется конститутивно вследствие наличия нсиндуцибельного гена, имеющего слабый про- ^°ТОР- Ри контакте с кутином этот фермент вызывает разруше- °ЛЬШ0Г0 числа молекул кутина и появление олигомеров, экспрессию второго кугиназного гена, обладаю- 3v МэтчитиКгП₽(/МОТОрОМ и пР°дУЦиРУЮЩего активную кугина- тсояли 50 апит’ деФсктные по продукции кутиназы, по- гена F м ”0СТЬ к ГОР°ХУ- После трансформации кугиназного неспособного Л”™ рансвого паразита авокадо Mycosphaerella sp., продуциооваткнепоиРсжденные плоды, этот гриб стал
Клеточная гтр! ИнаДу и заРажать неповрежденные плоды, но только после *^а Проникновение в клетку растения возмож- рая подобно ппои рсодоления барьера клеточной стенки, кото- шаяёХ^ Каркасу "Одерживает протопласт, защи- компонеит клеточипй01* И осмотичсских повреждений. Основной = ДРУгём ™т?ы^ ~ полисахариды, соединенные друт -ии водородными связями и образующие
сложную есть, из которой сложены первичная щенка растущей клетки, вторичная (более жесткая) стенка, определяющая фор му клетки, и срединная пластинка - межклеточный цемент склеивающая отдельные клетки в ткани.
По способности экстрагироваться различными растворителями полимеры клеточной стенки разделяют на целлюлозу (линейные фибриллы р-глюкана), гемицеллюлозу (разветвленные полимеры ксилана, ксилоглюкана, арабинана и др.) и пектин (метилированный рамногалактуронан). Многие фитопатогенные грибы обладают комплексом ферментов, разрушающих целлюлозу (целлюлазы), гемцеллюлозу (ксиланазы) и пектин (пектиназы). Активные целлюлазы имеют древоразрушающие грибы; у паразитов травянистых растений наиболее активны пектиназы. Разрушая пектин, они, во-первых, разрывают связи между отдельными молекулами целлюлозы, нарушая тем самым композицию клеточной стенки и обеспечивая доступ к протопласту; во-вторых, при сильном воздействии на клетку (у некротрофов) вызывают гибель протопластов вследствие осмотических эффектов; в-третьих, разрушая пектин срединных пластинок, обеспечивают продвижение паразита внутри растения, а при сильном повреждении вызывают мацерацию и распад зараженной ткани (гнили); в-четвертых,
Рис. 81. Пути деградации молекулы пектина пектиназами: ПЛ — пектатлиаза; ПМЭ — псктинмспаэстсразз; ПГ — (эндо) патгалактхрокэлз
265
обеспечивают углеводное питание паразита продуктами распада ПС Пектиназы грибов имеют различные механизмы воздействия на молекулу пектина и разную субстратную специфичность №"п«^икметилэстеразы (ПМЭ) деметилируют полигалактуро- нил с образованием политазактлроновой кислоты. Свободные карбоксильные группы в растении обычно соединяются с двухва- чентными металлами (Са21). образуя соли - пектаты. В сосудах ксилемы пораженных сосудистыми инфекциями, пектаты кальция поглотают воду и образуют набухающие гели — эмболы, препятствующие ксилемному току и являющиеся одной из причин инфекционного увядания — вилта. Клонированный ген ПМЭ Aspergillus niger имеет 6 интронов и кодирует белок из 314 аминокислот, имеющий 30 % гомологии с ПМЕ фитопатогеннои бактерии Erwinia chrysanthemi.
Полигалактуроназы (ПГ) вызывают распад полигалактурони- да вследствие гидролиза глюкозидных связей между мономерами. По месту' действия ферменты разделяют на эндоПГ, осуществляющую разрывы по всей молекуле пектина и отщепляющие оли- гогалактурониды разной длины, и экзо ПГ, которая отщепляет димеры от нередуцированных концов пектинового полимера. Все клонированные гены ПГ грибов имеют размеры 1100 — 1350 н.п., от одного до четырех интронов (ПГ Sclrotinia sclerotiorum не имеет интронов) и 60—65% гомологии по аминокислотным последовательностям.
Пектатлиаза (ПЛ) катализирует трансэлиминативный распад пектина на олигогалактурониды, но в отличие от действия эн- доПГ в данном случае образуются продукты с двойными связями. Гены ПЛ Aspergillus nidulans, Nectria haematococca и Glomerella cingulata чрезвычайно разнообразны по структуре (числу и расположению интронов) и имеют низкую гомологию.
Большинство фитопатогенных грибов продуцирует несколько пектолитических ферментов, каждый из которых может кодироваться семейством генов и существовать в разных изоформах, различающихся оптимумом pH, температуры, субстратной специфичности. Эти свойства могут обусловливать возрастную и тканевую специализацию патогенов. Например, всходы фасоли, в клеточных стенках которых пектин метилирован, более восприим- 'ИВЫ.К Ризоктониозу, чем зрелые растения, у которых пектин ™aBHb,M образом в форме пектата кальция. ПГ гриба тин°Си^1а so ani активно Деградирует эстерифицированный пек- партри„бНС пектаты, чем и обусловлена устойчивость взрослых раС ГСНИИ.
нпп°-видимому, является причиной чрезвычай-
- го генетического контроля ферментов фитопатогенных
грибов, осуществляю!11t<v
мре^вГпг^^^ Сос,^*И^ -олимеров. Так
'"'из* п'ХТ ^ пг ~" ~У1Г'~~
дукция происходит под влияниечбмигЫ; П°-Внаимому, их ин. ющихся в результате воздействия ней “^^^“""лов, образу- Благодаря большому разнообразию <ЬепмеитпеЛЬН°Г° ^Р^чта- генов исключение отдельных ферментов в™? " КОаируемЫ1< "х приводит к драматическому снижению п,™° ^и»» не
компенсационного ДействияостХьТ Ут^ вследствие двойная мутация генов xvll и wD =^ У ф 6 M^Ponhe grisea прессию) «молчащих. Хв коД“ “Т ак1иааиию (или экс- ланазы.’ коаирующнх дополнительные кси-
Подавление защитного потенциала растений
Умерщвление клеток хозяина
Самый грубый способ подавления защитного потенциала живой клетки — ее умерщвление. Поэтому некротрофные паразиты, извлекающие питание из мертвых клеток, выделяют токсические продукты, летально воздействующие на клетки хозяина. Большинство токсинов некротрофов неспецифичны. Они названы вивотоксинолш, ибо метаболиты грибов — кандидаты на их роль — должны быть выделены не только из среды роста in vitro, но и из зараженных растений (in vivo).
По химической природе вивотоксины разделяют на несколь
ко групп:
органические кислоты (щавелевая кислота возбудителя белой гнили Sclerotinia sclerotiorum);
циклические ароматические соединения (кумарины, азотсодержащие алкалоиды, периленхиноны) — альтернариевая кислота (продуцент Aiternaria solani), фузариевая кислота (Fusarium oxysporum), церкоспорин (Cercospra spp.);
терпеноиды (трихотеценовые токсины Fusarium), циклические пептиды (тентоксин Aiternaria alternate), гликопептиды (токсин возбудителя болезни мальсекко цитрч-
совых Phoma tracheiphylla);mi-
полипептиды (цератоульмин - 13kD токсин возочдитсля .
ландской болезни ильмов Ophiostoma ulmi)-тгтитезьные
По механизмам токсического воздеистаиярз^^
клетки токсины разделяют на ингибиторы ферментов, ме .бр
NJ О ОО
Фарнсзил п ирофосфат
Триходиен
Первая циклизация
ТН4
ОН
Трихотриол
-он
-ОН
Изотриходиол
Вторая циклизация
ОН
Триходиол ОН
|Трихотецсны (/-типа|
Трихотецен
НО НО Дсзоксиниваленон (ДОН)
И зотриходермол
| TnlOl
з-i
ацетилдезоксиниваленон
ОАс
? СTrilG
^13^ ~^ 3-ацетилниваленон
Изотриходсрми н
ТНЗ ТН13 Тп7
Трихотецен
Трихотеколон
он
ОН
-он
АсО’ Т-2-токсин
Ниваленон
З-ацетил-Т-2-токсин
ОАс:
3,4,15-триацетоксисцирпенол —► З-ацстилнеосоланиол
НО" 15-дезацетилкалонектрин
АсО'
Tril/Tri8
ОАс
АсО"
4,15-диацетоксисцирпенол
ОАс
Неосоланиол
Рис. 82. Биосинтез трихотсцснов грибами
Синтез трихотсцснов r-типа включает серию (hr ‘ ' k’ 2001Г
с циклизации фарнсзилфосфата в триходисн ?пихочиЛП""и,1Х рсакиий- "ачиная ледуюшие биосинтетические шаги включают '?,СИНТСТ^ <т™)- Пос- ричную циклизацию до изотриходермоп -' изомсРизаиию и ВТО-
токсичный трихотеценовый скелет Рядом со стпг ИНТСрмсдиата. имеющего продукты которых осуществляют
неактивные вещества, генераторы активных зараженных клетках, ингибиторы белкового синтеза ^°P°M ”
Генетическую регуляцию синтеза низкомолекулярных втооич- ных метаболитов, обладающих свойствами вивотоксинов, рассмотрим на примере трихотеценовых токсинов фузариевых грибов. Эти токсины представляют интерес, во-первых, потому, что их продуценты вызывают болезни пшеницы, ячменя, кукурузы, наносящие значительный экономический ущерб, и, во-вторых, потому, что содержащие токсины растительные продукты токсичны для людей и сельскохозяйственных животных (вызывают потерю аппетита, дерматиты, анемию, геморрагический сепсис, иммун- носупрессию). Эти соединения, к которым принадлежит несколько антибиотиков грибного происхождения, ингибируют синтез белка у эукариот.
Биосинтез трихотеценовых токсинов показан на рис. 82. Как видно, ключевой фермент, осуществляющий циклизацию фар- незилпирофосфата в триходиен (триходиенсинтетаза), контролируется геном Тп5. После серии окислений, изомеризации и вторичной циклизации образуется два класса соединений (А и В), различающихся наличием или отсутствием кето-группы при С-8 атоме трихоте ценового скелета, — Т-2 токсин Fusarium sporot- richoides и дезокси ни вале нон (ДОН) F graminearum.
Молекулярные исследования биосинтеза трихотеценовых токсинов начались после того, как был очищен ключевой фермент триходиенсинтетаза и с его помощью клонирован ген Тп . ыло обнаружено, что кос.мида, несущая этот ген, комплементирует мутации и по другим генам, влияющим на п0““>,в^ синтеза тоихотеценов. Отсюда сделан вывод о сцеплении этих ге нов г? общем мастере размером 25 тыс. н.п. Кластерыдля осюих видов Fusarium (F. sporotrichoides и F. £ram,M"™^ кую степень гомологии, фланкированы оди^в“м” ^ ™м^ розиназы и полисахариддезацетилазы и соде .Среди них
11 генов, связанных с биосом ^ есть биосинтетические гены тпцуолиент) ТпЗ (15-0-аиетил- ществляюшая гидР°кс“Л*У°ван”участвующая в пи-
трансфераза), Trill (Р"^ роксилировании С-13) и регу„енов из клетки). Ген
крипции), ТП12 (регулятор выхода трихотецеиов
5 Ю5 ЮТирозиназа TriS ТпЗ Tri4 Tri6Тирозиназа TriS ТпЗ Tri4 Tri61520253011Н тыс.н.п.1520253011Н тыс.н.п.Тп5 TrilO Тл9 Trill Tril2 Пун/з Tril4 ДеацетилазаТп5 TrilO Тл9 Trill Tril2 Пун/з Tril4 ДеацетилазаI Кластер биосинтетических и регуляторных генов jбиосинтеза трихотеценов
5 Ю
5 Ю
Тирозиназа TriS ТпЗ Tri4 Tri6
Тирозиназа TriS ТпЗ Tri4 Tri6
15202530
11Н тыс.н.п.
15202530
11Н тыс.н.п.
Тп5 TrilO Тл9 Trill Tril2 Пун/з Tril4 Деацетилаза
Тп5 TrilO Тл9 Trill Tril2 Пун/з Tril4 Деацетилаза
Рис. S3. Геномная организация кластера генов, регулирующих биосинтез трихотеценов у Fusarium graminearum (M.Kimurta ct al., 2001).
Стрелками показаны направления транскрипции. Символ X над Tri 13 показывает, что этот ген нс кодирует функциональный продукт
Tri7 (4-О-ацетилтрансфсраза) у F sporotrichoides, F. graminearum отсутствует, a Tri 13 (белок типа Р450) находится в виде псевдогена. По-видимому, эти ферменты не необходимы в синтезе токсинов В-типа, поэтому кодирующие их гены утрачены в ходе эволюции.
Клетки грибов-продуцентов токсинов не повреждаются высокотоксичными соединениями, каковыми являются трихотецены, по трем причинам.
На определенном этапе происходит ацетилирование атома С-3 ацетилтрансферазой, кодируемой геном Tri 101. Это маскирует токсичность трихотеценового скелета. На последних этапах биосинтеза токсинов 3-0-ацетильная группа удаляется.
Мембранный белок, кодируемый геном Tri 12, быстро удаляет токсины из клеток.
Возможно, у грибов, продуцирующих фузариотоксины, модифицирован сайт рибосомы — мишень действия трихотеценов.
Подавление защитного потенциала клеток
Некоторые грибы выделяют в зараженные ткани вещества, обладающие высокой токсичностью и одновременно чрезвычай- но высокой специфичностью к определенным генотипам расте- ни (токсины, специфичные для хозяев, или патотоксины). Например, токсин гриба Cochliobolus victoria викторин убивает про- сортов овса» имеющих ген Рс2 (сорт Виктория и его по- В К0НЦСНТРации 0,3 нг/мл, в то время как для сортов овса, этого гена* и для других растений доза, в миллион stronhiK ГпяЬ1С?чаЯ’ Не летальна- Родственный ему гриб С. hetero- зыг вызывает ожог листьев и гибель всходов кукуру-
стеоилцмпгти техасским типом цитоплазматической мужской ной цитоппячм ^М5 ’ Н° слаб° пат°генен для сортов с нормаль- ои. Кукуруза, имеющая мужскую стерильность, 270
он он о о он о
Рис. 84. Т-токсип CocMiobolus heterotirophus
облегчает производство высокоурожайных
Дов и выращивается на больших luom^ ^n^ гибри" том числе в России Токсическимногих странах, в
Т-токсин - линейный поли—»ее оказывает
ходится под контролем двух генов- FksffTAYA С3 которого па- тез фермента поликепщ^ ( ^ Отвстствен аа син- цспочку а Прр1 /Т пч • К0Т0Рая стРоит поликетидную цепочку, а ген Deci (ТохВ) контролирует синтез карбоксилазы удаляющей терминальные карбоксильные группы, ^и гены положены на разных хромосомах. Т-токсин вызывает повреждение мембран митохондрий кукурузы, имеющих Т-цмс. В результате его действия происходит потеря Са2+ и НАД\ разобщение окислительного фосфорилирования. Во внутренней мембране Г-митохондрий имеется белок с молекулярной массой 13 кДа (URF13), отсутствующий в нормальных митохондриях. Он ответствен за мужскую стерильность и чувствительность к токсину. В соединении с токсином белок URFI3 полимеризуется и образует трансмембранные каналы, через которые происходит утечка электролитов.
Детоксикация активных форм кислорода
Одним из ранних ответов растительной клетки на заражение является «окислительный взрыв», приводящий к накоплению в клетке высокотоксичных короткоживущих активных форм кислорода (АФК) — супероксидного аниона (О2"), гидроксильного радикала (ОН) и перекиси водорода (Н2О2). АФК — это не только источники высокотоксичных соединений, но и участники НАЦФ- оксидазной сигнальной системы в клетке, осуществляющие активацию факторов транскрипции. Поэтому ферменты паразитов, разлагающие АФК, играют исключительную роль в патогенезу Показано, что инактивация гена супероксиддисмугазы \ graminicola, не влияя на рост гриба на питательной среде, рез подавляет его патогенность.
Детоксикация токсических веществ растений
Одна из важнейших систем клеточной заишты растений от паразитов основана на освобождении т°*с"^^ э система вы- козидов, находящихся, как правило, в вакуолях. с
сокоэффективиа и хниверсхаыы. Однако многие фитопатогенные “X н процессе воэволюнии с растениями выработали меха- ш,змы. нейтрализующие aw систему. Такие механизмы можно свести к следующим.
Мягкое не повреждающее мембраны воздействие на клетки растений характерное для биотрофных паразитов. Например, внхтриклеточный паразит крестоцветных Plasmodiophora brassica^ возбудите™ килы, находится в живых клетках с неповрежденными мембранами, поэтому его присутствие не вызывает появления продуктов гидролиза горчичных масел высокотоксичных изороданидов (R-N=C=S). В процессе роста опухоли (килы) покровные ткани растрескиваются, и ранки заселяются почвообитающими гнилостными микроорганизмами. Последние, будучи не- кротрофами, разрушают зараженные клетки, вызывая образование токсичных агликонов, но к этому времени плазмодии возбудителя килы преобразуются в споры, имеющие толстые оболочки и устойчивые к токсинам.
Изменение чувствительного к токсину сайта. Гриб Stemphilium loti вызывает пятнистость листьев цианогенного лядвенца, у которого в результате гидролиза глюкозида линамарина образуется сильнейший дыхательный яд цианид (H-C^N). У паразитного гриба высокий вклад в дыхание приходится на альтернативный, нечувствительный к цианиду путь.
Модификация токсических веществ до менее токсичных. Этот механизм определяет специфическую патогенность штаммов широко специализированных грибов к устойчивым видам растений. Например, локализованный в корнях стсриодный гликозид (сапонин) авенацин защищает овес от заражения возбудителем корневой гнили Gaeumannomyces graminis. Штаммы этого гриба, способные заражать овес (G. graminis var. avenae), продуцируют специфичный фермент p-глюкозидгидролазу — авенациназу, отщепляющую сахарные остатки и переводящую авенацин в нерастворимую, менее токсичную форму. Используя поликлональные антитела к очищенной авенациназе в качестве зонда, удалось клонировать кодирующий ген. Его трансформация в геном Neurospora crassa сделала гриб нечувствительным к авенациназе in vitro. Инактивация гена транспозоновым мутагенезом привела к потере спо- со ности деградировать авенацин и заражать овес при сохране- нии патогенности к непродуцирующей авенацин пшенице.
Детально исследована генетика патогенности некоторых штам- rnnnw^n0 kaematococca (аноморфа — Fusarium solani / sp. pisi) к (wwnw. P” ®ыра1Цивании этих штаммов на питательной среде, пиштии СИ $aKTOp Устойчивости гороха к болезням фитоалексин Р0СТ мицелия начинается после некоторого лаг-псриода. няулпп^Р°В0ЖДается снижением содержания пизатина в среде и нем его деметилированного производного (рис. 85). Слс- 272
CHjOCHjOооооРис. 85. ДеградацияРис. 85. Деградацияпизатина ферментомпизатина ферментом»~»eeo"G»~»eeo"Gоо
CHjO
CHjO
о
о
о
о
Рис. 85. Деградация
Рис. 85. Деградация
пизатина ферментом
пизатина ферментом
»~»eeo"G
»~»eeo"G
о
о
довательно, пизатин индуцирует синтез
лазы. Среди большого числа ппиоплмму^ Р ,СНТа пхизатиндемети- обнаружены как высоко патогенные ™2ЮВ N* haematoco^a ные, причем степень патоггиппети ^ гороха’ так и непатоген- деметилировать пизатин Пои скп?111и°РРеЛИРУеТ С° способностью ление на две группы - патогенные и непатогенные, причем только первые обладают способностью деметилировать пизатин
Продукт деградации пизатина слабо токсичен для грибов. Кроме того, он подвергается дальнейшему разрушению до летучих веществ (СО2 и др.). Деградация пизатина осуществляется ферментом цитохром Р-450-монооксигеназой, связанным с мембраной. Для проявления его активности требуются цитохром Р-450 и НАДФ-цитохром Р-450-редуктаза. Синтез фермента индуцируется пизатином и репрессируется глюкозой и аминокислотами.
У N. haematococca обнаружено несколько генов, контролирующих синтез деметилазы. Ген Pda 1 обеспечивает высокую активность фермента, Pda2 и Pda3 — низкую, Pda6 — промежуточную. Рецессивные аллели этих генов представляют собой делеции. При разделении хромосом N. haematococca с помощью импульсного электрофореза было обнаружено наличие в геноме мелких 5-хромосом, необязательных для существования организма, но несущих гены Pda. Штаммы, потерявшие 5-хромосомы, не могут заражать горох.
Ген Pda6 был клонирован и перенесен в геномы других грибов — паразита кукурузы Cochliobolus heterostrophus и сапротрофа Aspergillus nidulans. Оба трансформанта стали резистентными к пизатину in vitro, что свидетельствует об экспрессии гена, однако только первый приобрел способность заражать горох. Этот опыт свидетельствует не только о роли деметилазы пизатинанапаго- генности для гороха, но и о различиях между базовой патоген «и Специфической вирулентностью. ^—“^ С. heterostrophus обладает базовой патогенностью которая, по в димому, обусловлена многими генами, поэтому приобрепние одного дополнительного гена °каз“°'Ьра°с”а™ю Сапротроф .4. рулентности по отношению к но .у р‘ ОД||Н 1НШЬ ген nidulans нс имеет базовой патоген ,- ' j^ napaaimnMv.
вирулентности не способен обеспечить способность к пар.
Глава 10
ГЕНЕТИКА ПАТОГЕННОСТИ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ МИКОЗОВ
Современные направления исследований генетикигрибов, имеющих значение для медицины
Прогресс медицинской микологии, охватывающей проблемы как микозов, так и грибной аллергии, микотоксикозов и отравлений, неразрывно связан с накоплением знаний о болезнетворных грибах и механизмах обусловливаемой ими патологии.
Наличие около 500 патогенных или условно-патогенных возбудителей грибковых инфекций человека, множества токсигенных и аллергенных грибов затрудняет поиск общих закономерностей грибных заболеваний. В то же время внимание современных исследователей сфокусировано на изучении наиболее значимых возбудителей грибных заболеваний, например самых распространенных или опасных агентов поверхностных или глубоких микозов, аллергенных грибов с наибольшей частотой выявления в воздухе и экономически значимых токсигенных контаминантов зерна.
Эпоха молекулярной генетики и преобладание молекулярногенетических методов в биомедицинских исследованиях последних лет в полной мере затронули медицинскую микологию. Сохраняющиеся высокими смертность и затраты на лечение инвазивных микозов направили зарубежные исследовательские коллективы на изучение в первую очередь возбудителей оппортунистических инфекций: кандидоза, криптококкоза, аспергиллеза. К объектам активного изучения медицинских микологов присоединились некоторые виды облигатно-патогенных грибов, рассматриваемые особо ввиду заявленной возможности их применения как орудия биотерроризма (Coccidioides spp.). Отражая общие тенденции в генетических исследованиях, значительное развитие получила геномика грибов, имеющих большое значение для медицины. В списке секвенированных геномов микроорганизмов заметны и многие грибные, в том числе известные виды патогенных или токсигенных грибов.
В настоящее время осуществлены проекты полного или частичного секвенирования геномов главных возбудителей оппортунистических микозов человека: Candida albicans, Aspergillus/umigatus neof°rmans, диморфных агентов эндемических ми- ов istoplasma capsulatum и Coccidioides immitis и других СПИД- ассоции рованных инфекций (.Pneumocystis'), токсигенных грибов апит gramtnearum). Начаты новые проекты по изучению ге- 274
номов других важных возбе,™™ -
следование геномов разныхРгоибон м екта осУи1ествляются ис- ных объектов для изучения. К концу 200^ к°ВЬ1Х И псРспектив- мых и потенциальных объектов насчитываа^1"'СПИСОК изучае"
В проекте FGI поставлена 2^ 44 вида грибов,
на основных, с точки зренияЦель фокусировки исследователей значение для медицины.РПослеТвидоГ™0 °’ °ИДаХ’ имеюших (С. albicans, A fumieatus Н i Д Б> признанных главными составленных сп~^В Пер"°м из
ствовали также и другие известные возбуотели миктоТ” F^" "Г' Trichophyton rubrum, AspergilluT”*”'^. ^rhопгТ^Р ““^н П0ЧТИ Bce осчовные патогенные (Sporothrix schencku Pemctlhum marneffet, Paracoccidioides brasiliensis, Exophiala dermahttdis и др.) и токсигенные (Penicillium spp., Fusarium spp btachybotrys chartarum) грибы. Геномы Coccidioides immitis/posadasi’i (штамм KS, размер генома 29 Mb) и Rhizopus oryzae (штамм RA99- 880, размер генома 35 Mb) находятся в стадии секвенирования. Геномы С. albicans, A. fumigatus и С. neoformans были секвениро- ваны и изучены разными коллективами.
Исследования генома Candida albicans
Вид С. albicans считается наиболее изученным представителем рода Candida и главным возбудителем кандидоза всех локализаций. Носительство С. albicans большинством населения обеспечивает лидерство данного гриба в этиологии грибковых инфекций слизистых оболочек, СПИД-ассоциированных и оппортунистических инвазивных микозов. Интерес к патогенным и адаптационным свойствам С. albicans, стимулирующий исследователей данного микроорганизма, дополняется участившимися случаями резистентности Candida spp. к современным противогрибковым препаратам. Высокие показатели заболеваемости и значительные расходы систем здравоохранения, обусловленные смертностью*' затратами на лечение кандидоза, явились предпосылкамидляма^ штабных исследовательских проектов по изучен, ю^болсваи и его возбудителей, в том числе - геномики ^'^^ ^
Проект секвенирования генома С. л/4.са .США) Для по- в Стэнфордском геномном техническом "J™ Для лучения дробных последовательностей всего генома оы.
В 1998 Г было получено 1,5-кратное покры- Г^^ (16 млн. „.,,.); впоследствии ссквсниро- мние достигло 10.4-кратного покрытия, которое используется в Сборках Полненные последовательности носят номер версии сборки и собственный номер. Всего было собрано 1213 последовательностей с размером более 2 кб, самая крупная из них _ ?87 тыс н п , общим размером 17,4 млн н.п. (6-я сборка). Это превышает размер гаплоидного генома из-за того что от- дезьныс сборки содержат гетерозиготные участки (Candida а!Ы- сап5 _ диплоид). Трансляция последовательностей выявила наличие 9168 О PC, кодирующих белки из 100 аминокислот и более.
Митохондриальная ДНК не вошла в общее число собранных последовательностей. Проблемы сборки заключались в диплоидной природе С. albicans, что приводило к высокой степени фрагментации. К настоящему времени эти проблемы в целом решены. Последняя, 19-я сборка, представляет усовершенствованную реконструкцию диплоидного генома С. albicans.
Информация и базы данных последовательностей в настоящее время находятся на сервере проекта (Интернет: http://www.sequence-stanford.edu/ goup/candida).
Постгеномные исследования предусматривают изучение функции продуктов выделенных генов из уже доступных целиком геномов. Для этого необходимы анализ генома, аннотация и последовательное или целевое изучение его составляющих.
С целью изучения функции белков С. albicans и их значения как факторов вирулентности и взаимодействия с организмом человека на генетическом уровне (профилирование транскриптов, методы гибридизации кодирующих генов) проводится анализ выделенного генома. Для этого создана специальная база данных (CandidaDB), в рамках которой анализируются выделенные в 6-й сборке последовательности генома С. albicans. В качестве мишеней для изучения выбраны ОРС, кодирующие белки из не менее 150 аминокислот, или имеющие гомологи в других базах данных, или отличающиеся высокой кодирующей вероятностью, рассчитанной по методу GeneMark. Идентификации подлежат также дублирующиеся в гетерозиготном состоянии последовательности, кодирующие белки. Одной из основных задач проекта CandidaDB является аннотация всех ОРС Candida albicans. В настоящее время аза данных содержит 6165 неповторяющихся записей, что соответствует примерно 5920 генам С. albicans. CandidaDB обеспечи- ается также информацией, содержащейся в других генетических оазах и источниках данных (Genbank, EMBL и др.). Часть инфор- лпгии14и1°^УЧ^Ю^с И пРименяют Для аннотации, используя гомо-
С ГСНЫ ^’ cerevisiae и их продукты. Таким образом, цель анализ генома С. albicans средствами биоинформати- 276
КИ и предоставление результ-rmu .
и их интеграция по м^накщ^ исследований Д>ктов изучаемых генов. сведений о функции про -ию° П№ов ю и)у.
S-/&ЖЛ^^^ А-Е-ОЫуа „ зости межа^^иТЕ^ Бл~б™- обнаружен локус типа спаривания Нрг cenvislae У первого был „к.™." ; »“” ™ — .
По оценочным данным, всего в гаплоидном наборе С. albicans имеется около 6500 генов, из них 25-30% не имеют соответ- ствия в базе генома 5. cerevisiae. Большинство полученных генов С. albicans не содержат интронов. Основная часть генов находится в ядерном геноме и всего 40-103 пар оснований — в кольцевых хромосомах митохондрий. В ядре генетический материал содержится в 8 хромосомах. Семь хромосом нумеруются по размеру, начиная с большей. Восьмая хромосома, содержащая в основном рибосомальную ДНК, имеет вариабельную величину. Эта хромосома, не имеющая номера, называется R-хромосомой. Генотипическая изменчивость на хромосомном уровне чаще всего заключается в изменении размера R-хромосомы, реже — в транслокациях, фрагментации отдельных хромосом, анеуплоидии.
Карты генома и хромосом С. albicans, а также аннотации многих генов и сопутствующая информация доступны в Интернете: http.// alces.med.umn.edu/candida.
Важная часть стратегии постгеномных исследований С albicans предусматривает изучение функции значимых генов, не имеющих аналогов в уже аннотированном геноме 5. cerevisiae как не- патогенных дрожжей, или близких генам W™x’““^^ Предполагается, что эти гены могут иметь значение . патогенезе кандидоза. Сегодня число таких генов ^«^и^у .^ в стояшес время установлены различия' ^ "^' Н|1 наборе генов и их продуктов .отвечающих ”^"ци„а. „ метаболизма белков и липидо , р задейСТВованные в изуче- ==^^ —— - ■“:
поопгпнизму НИЛОМ Candida. другие виды обусловливают сущс- ;™.нную часть заболеваемости инвазивным и диссеминированным кандидозом, имеют особенности эпидемиологии и, что особенно важно, зачастую демонстрируют иные профили чувстви- тетыюсти и устойчивость к существующим противогрибковым средствам. Считается, что эволюционная дивергенция между от- дечьными возбудителями кандидоза может достигать 300 млн лет. Кроме С а/А/сд/ц диплоидными являются также С tropicalis, С. рага- psilosis С krusei и некоторые другие виды. Среди представителей рода есть и грибы с гаплоидным набором хромосом, например С. glabrata и С. guiiliermondii.
В настоящее время организованы и проводятся проекты изучения геномов С. glabrata (Франция), С. tropicalis (отдельно США и Франция/Германия), а также Candida (Clavispora) lusitaniae и Candida (Pichia) guiiliermondii (США). От сопоставления близкородственных и более далеких видов Candida (С. albicans и С. tropicalis, С. albicans и С. lusitaniae) надеются получить сведения о консервации белков и выделить общие факторы, имеющие значение для вирулентности или адаптации. Кроме того, это сможет раскрыть причины устойчивости отдельных видов Candida к ряду антимикотиков, например С. lusitaniae — к амфотерицину В. Полезным может оказаться сопоставление диплоидных геномов С. albicans и С. tropicalis с близкородственным, но гаплоидным геномом С. guiiliermondii.
Исследования генома Aspergillus fumigatus
Интерес к изучению геномов Aspergillus spp. обусловлен заметной ролью этих грибов в этиологии оппортунистических инвазивных микозов с высокой смертностью, в свою очередь отражающей их широкое распространение в окружающей среде. Различные формы аспергиллеза, вызываемые прежде всего A. fumigatus, A. flavus и рядом других видов, дополняются токсигенным и аллергенным потенциалом многих представителей рода. Все эти свойства Aspergillus spp. были признаны достаточными для изучения геномов A. fumigatus и в ближайшей перспективе — других видов. Наличие хорошо изученного непатогенного вида A. nidulans с известным половым циклом развития и уже аннотированным геномом предполагало возможность сопоставления генетического материала и выделения факторов вирулентности, специфичных как для pergillus spp., так и в целом для условно-патогенных возбудителей других плесневых микозов.
роекты изучения генома Aspergillus spp. были начаты разны- и исследовательскими коллективами и организациями из ряда р пеиских стран и США в 2000—2001 гг. Для исследований был
использован клинический штамм AD93 п стратегии секвенирования, включавшей ?°СЛС p;npaGoTK” общей венных бактериальных хромосом (ВАС с"оя?3онан“е искусст- UCHTpbI ° Великобри^
США (Институт геномных исследований^,,ститут Сангера) и ”““" пР°екта. предусматривавшегосо"2иЖ^ ‘ РСаЛИ- создания физической юпн-Ги ™ создание ВАС-библиотек клонов, азатем ЛСТ^^ '° —»“х^ к настоящему времени секвенирование генома А • целом завершено, однако доступные для ани™ “ емые материалы рассматриваются ™ Д,»Ш^^ использу-
получить 10-крат^ое noZ™^ последовательностей, полученных совместными усилиями двух центров, составил 28,6 млн н.п. Сюда входит 9744 генов в том числе около 4300 функциональных. Кодирующая часть секвени- рованного генома A. fumigatus составляет 49,1 %, средняя длина гена — 1,4 тыс. н.п. Плотность генов оценена как 1 на каждые 3 тыс. н.п. выделенных последовательностей. Более 75% генов имеют интроны в среднем по 2,7 с размером 122.
Данные доступны в Интернете: http://www.tigr.org/tdb/c2kl/aful. Общий размер генома A.fumigatus оценивался также как 32 или 35 млн н.п.
Для анализа результатов секвенирования, аннотации и дальнейшего изучения генома A.fumigatus и других видов (A. nidulans) создана система CADRE (центральный репозиторий данных по Aspergillus). В настоящее время пройдено тестирование данной системы на основе имеющихся результатов секвенирования А. fumigatus, полученных английскими исследователями, собравшими 922 тыс. н. п. последовательностей к концу 2003 г. на основе 16 ВАС-клонов. Всего в данной сборке предполагается наличие 341 гена.
Многие гены A. fumigatus были аннотированы ранее, еще до завершения основных работ по секвенированию всего генома; сведения содержатся в нескольких общедоступных базах данных.
Пепечснь всех аннотированных к началу 2001 г. генов A. fumigatus со- от™иТо их функциям доступен в Интернет на сайте, п—ном Aspergillus, по адресу: http://www.aspcrgillus.man.ac.uk.
В различной степени реализации находятся проекты изучения других видов Лзре/ji/to, В частности . д вестись до 6-крат- рование этого генома (штамм NRRL3 ) » учсны геномы Soro покрытия. Секвенируются ИЛИ >же^ ^?
A. nidulans (разные проекты, р Р н размСр генома ?4.5 также A. niger (один из проектов ^...дх j terreus и А. оп^ае ^н.п. или 14000 ОРО.А^видов
(США). Завершение текущих геномн р
Asocrallus и их аннотация позволят охарактеризовать и сопоста- X гены, имеющие значение в патогенезе обусловленных ас- "™ами заболеваний. Как и в случае с разными Cand.da spp., исследователи надеются оценить степень консервации различных генов (например, сопоставляя A. fum.gatus A. mger и A. mdulan^ и колируемых ими функций, в частности образование различных метаболитов.
Исследования генома Cryptococcus neoformans
Cryptococcus neoformans — возбудитель криптококкоза, оппортунистической и СПИД-ассоциированной инфекции, проявляющейся криптококковым менингитом - заболеванием с высокой вероятностью летального исхода и необходимостью длительной, нередко пожизненной поддерживающей терапии, сопровождающейся риском устойчивости. Для изучения С. neoformans были начаты разные геномные проекты. Американские исследовательские коллективы начали секвенирование геномов трех штаммов С. neoformans*. серотипов А (штамм Н99) и D (штаммы JEC21 и В3501), а канадские — секвенирование австралийского штамма С. neoformans var. gattii (серотип В, штамм WM276).
Проект секвенирования генома С. neoformans (штамм JEC21) проводится Институтом геномных исследований США (TIGR) с целью дополнить аналогичный проект Стэнфордского института и обеспечить дополнительное 4-кратное покрытие генома. К настоящему времени в данном проекте достигнуто 10,5-кратное покрытие; имеющиеся разрывы последовательностей постепенно удаляются. Собраны последовательности для 3 завершенных хромосом (2, 7 и 9). В задачи данного проекта входит также интеграция всех доступных данных секвенирования и автоматическая аннотация генома С. neoformans по мере поступления данных уже создана физическая карта.
Информация о проекте и данные доступны в Интернете: http:// www.tigr.org/tdb/c2ki/cna1. Полная реализация проекта, по заявлению разработчиков, предоставит исследователям первый открытый геном базидиомицетов, который мог бы послужить моделью для изучения и других организмов.
роект секвенирования генома С. neoformans Стэнфордского элмРа г^номнь,х технологий был начат в 2000 г. и к середине г. было завершено WGS-секвенирование, обеспечившее R.wuOCTl,OK*>bmiC' ^н секвенирования использовался штамм ' атем усилия исследователей были объединены с разработчиками изТЮЯ, вместе достигшими 12-13-кратного покры- последних сборках постепенно ликвидируются сушествовав- разрывы имеющихся последовательностей. Полученные ма280
тсриалы группируются, чтобы отпззит» п- мосомам С. neoformans. ‘ * РаспРслс;>снис по 14 хро-
нологий Университета Дюка В пачмму U ром гсн°мных тех- ные и ВАС-последов^лыюст^
тие генома, размер которого оценивается в 19 5 кщн н п° вТ™ wee время проводятся работы по ликвидации остающихсяТаз" ектаппимТк^^^^^ И"ТСрСС исследовэтелей данного проекта привлекают, в частности, изменчивость и разнообразие представителен С. neoformans, сопоставление разных вариантов и серотипов как возбудителей инфекций, имеющих важные эпидемиологические и клинические различия. Оценка степени эволю- ционной дивергенции разных серотипов указывает на возраст более 40 млн лет.
С. neoformans van gattii (серотипы В и С) с эндемичной зоной в Австралии вызвали вспышку криптококкоза у иммунокомпетентных лиц в Канаде, что привело к нескольким смертельным исходам. Проект секвенирования генома природного штамма С. neoformans van gattii WM276, родственного возбудителю вспышки, проводимый канадскими исследователями, в настоящее время вышел на уровень 5-кратного покрытия генома. Существенные различия, в частности, в генотипе и способности к спариванию, выявленные между возбудителем вспышки и стерильными природными изолятами, вызывают повышенный интерес исследователей. Большинство изолятов С. neoformans гаплоидны, размер генома оценивался ранее как 24 млн. н.п. с 12 хромосомами. Наличие полового цикла развития с типами МАТа и МАТа позволяет применять классические генетические методы в исследованиях данного вида.
Перспективы постгеномных исследований
По месс того как становятся общедоступными данные о геномах возбудителей микозов, ис"ед°*™ ^ тиям отдельных факторов внрул ’ многофакторным. Токовых заболеваний представляется заведомо ^ гоф геномных ис- кущее состояние М>Упных ген^ ,„,. ,р,„ гг—гх=\-—
методов ДЛЯ манипуляций с генами множества болезнетворных горбов Они успешно использовались и используются во многих генетических исследованиях догеиомнои эпохи. Разные методы тс- веских изменений, направленные на внедрение нового ге- еп ческого материала, были созданы для С. alb.cans^еще в 1986 г.
и позднее разработаны для разных Candida spp., С. neoformans, Blastomyces dermatitidis. Coccidioides immins и ряда других возбуди-
Необходимость выделения генов для их идентификации сохраняется и после получения целых геномов. В частности, функции ряда генов С. albicans могут быть исследованы сравнением с 5 cerevisiae; с использованием подобных подходов были клонированы некоторые детерминанты филаментации и адгезии дрожжей. В настоя nice время созданы эффективные методы удаления генов С. albicans для преодоления проблем, связанных с дипло- идностью данного организма. С целью изучения экспрессии на уровне генома применяют микромассивы ДНК, в частности для С. albicans и Н. capsulation. Для разных видов патогенных и условно-патогенных грибов используются разные системы репортеров и регуляторов экспрессии генов.
Исследования патогенеза и вирулентности ряда условно-патогенных грибов на основе получаемых геномов ведутся уже сегодня, хотя доступны и в перспективе будут доступны геномы только их отдельных штаммов. Общая тактика текущих исследований может быть охарактеризована как, во-первых, выделение и оценка генов, не обнаруженных у родственных непатогенных грибов, и, во-вторых, изучение тех генов, которые экспрессируются только во время инфекции. Прицельно разрушая те или иные гены, можно оценить важность кодируемых ими предполагаемых факторов патогенности, например литических ферментов. Возможно также определение транскрипционного профиля и экспрессии ряда генов in vivo, в ходе экспериментальной инфекции или взаимодействия с некоторыми клетками макроорганизма (например, макрофагами).
Для выбора действительных генетических детерминант патогенности из нескольких возможных используют разные штаммы- мутанты, полученные с помощью инсерционного мутагенеза и рекомбинантных ДНК, вводя их в организм лабораторных животных. После этого оценивают, какие именно мутанты выжили, т.е. с наличием каких именно генов можно ассоциировать спо- со ность вызывать инфекцию, или как отличается вирулентность разных мутантов. Важным является исключение из списка потенциальных генов вирулентности «домашних» генов и кодирующих зненно необходимые метаболические процессы. Для изучения ^н^08 представляют интерес как гены, продук- орых непосредственно взаимодействуют с тканями макро- 282
Генетика.„Gyn„„e# „^
Изучение патогенных свойстп u
микозов ведется уже много лет НаиЕ""^ Жителей уделялось тем же трибам, для которых nn™ ВНИМание о6и™° рованы геномные проекты Обши^п Р Дятся или мплани- пытаются найти иссл»ели ™руле^ На КотаР“ но сформулировать так:"Рентное™ и патогенеза, мож-
каковы наиболее общие Н^я^тгкпч микозов?факторы агрессии возбудителей
что делает патогенными конкретные грибы?
как осуществляется регуляция факторов патогенности?
Эти вопросы можно охарактеризовать более подробно, коснув- ись клинически значимых проблем патогенеза грибковых инфекции. Говоря о наиболее общих факторах агрессии можно вспомнить то множество широко распространенных в природе плесневых грибов (от представителей Mucorales до Aspergillus spp.), которые вызывают тяжелые формы инвазивных микозов у больных с нейтропенией и недействующим фагоцитозом. При этом необходимо знать те минимальные требования, которые требуются для роста этих грибов в тканях человека и возможности противостояния грибами естественным факторам резистентности. Молекулярно-генетические подходы к изучению указанных факторов могут заключаться в поиске у определенных видов условно-патогенных генов, аналогичных кодирующим, уже известных факторов патогенности, описанных у других грибов. Исходный поиск «генов патогенности», как уже говорилось выше, можно проводить по различиям в геномах между родственными, патогенными и непатогенными грибами. Интерес к вирулентности конкретных возбудителей может рассматриваться особо для таких важных групп, как дерматофиты, Candida spp., С. neoformans, диморфные грибы. Почему дерматофита и контагиозны и широко распространены, а дерматофиты разрушают роговые ткани и не могут расти глубже эпидермиса? Что обусловливает СПИД .с циированную природу криптококкоза и американских^тф, торных микозов, массовую ннфниированность населения энд Хских районов? За счет каких срел=т» адаптации так распространено носительство дан'кандидной кото-
?—Пр£^^^
которые мот определять начальные стадии развития кандидоза. Ответы на эти вопросы были получены без использования молекулярно-генетических методов.
Генетические детерминанты патогенностивозбудителей микозов
До эпохи молекулярно-генетических исследований были описаны многие факторы патогенности, например литические ферменты разных грибов, адгезины С. albicans или капсула С. пео- formans. Генетические исследования позволили оценить значение некоторых из уже доказанных или предполагаемых факторов патогенности, найти их генетические детерминанты, а в ряде случаев изучить регуляцию их экспрессии в ходе инфекции. Исследования по принципам «от признака к гену» проводились в доге- номную эпоху и продолжаются в настоящее время, переходя на геномный уровень. Так, сегодня известны гены, кодирующие секретируемые аспартилпротеиназы С. albicans (SAP), известны и хромосомы, на которых они располагаются (табл. 40).
Дальнейшие исследования рассматривают или могут рассматривать сравнительную экспрессию этих генов при разных формах инфекции, регуляцию их экспрессии в зависимости от условий среды и ее ассоциацию с экспрессией других факторов.
Протеиназы С. albicans изучены наиболее полно. Кислые ас- партил-протеиназы (известно 10 изоферментов) представляют собой белки размером 32 — 58 кДа. Субстратами для протеиназ С. albicans могут служить многие белки организма человека: кератин, белки эндотелия и базальных мембран, в том числе коллаген, ламинин, фибронектин и эндотелии-1, Fc-фрагменты иммуноглобулина G, фракция СЗ комплемента, сывороточный альбумин и другие белки плазмы крови. Активность протеиназ обеспечивает
Таблица 40. Некоторые гены, кодирующие предполагаемые факторы патогенности С. albicans
Хромосома
Гены
Белок/фуикция
1
SAP7
Протеиназа
САТ1
Каталаза
3
AAF1 (ADF1)
Адгезия
SAP3, SAP8, SAP9
Протеиназы
PHR1
Адаптация к изменениям pH
6
SAP1, SAP4, SAP5, SAP6
Протеиназы
R
SAP2
Протеиназа
‘ШГСЗИЮ И ПСНСТПапиш С
"ыГ' “ ГЛУбЖС л=~?^^про
Эго пр” ”£^ Фаг°^й~ ^ t^- ствия с ш-угри™^^^
ных систем. Кроме того, деятельностен окислительных запшт- вать белковые каскады ю.но^может затраги-
нолиза, арахидоновой кислоты tpJ 3’ комплемента, фибри- иммунитета и воспалительных процессов МлНаРУШаЯ регуляцню дованное участие протеиназ Гмо™^ Д°пУ«ается опосре- нопротеины кл=точ"™кик ^ чср<3 мн" ме человека и лабораторных животных «иро*еиназам в °Рганиз- ла.И р х живо™ых вырабатываются антите-
Изучение сравнительной экспрессии SAP-протеиназ С
Т^ “ т^^ ^ генамМр0” Экскпрессии- “мание мёёат^^ ющим генам SAP и др. Было установлено, что разные SAP-гены экспрессируются штаммами, выделенными от больных кандидозом полости рта. Различные гены SAP экспрессировались последовательно в модели кандидоза полости рта. С помощью штаммов-мутантов Asap 1,3 и Asap 4,5,6 было установлено, что гены, кодирующие 1- и 3-протеиназы, имели набольшее значение для вирулентности. На модели вагинального кандидоза была показана важная роль экспрессии SAP 2 для патогенеза в данной локализации. В то же время мРНК SAP 4—6 обнаруживаются при стимуляции гиф С. albicans сывороткой крови, что может иметь значение в патогенезе глубоких форм кандидоза. Это подтверждается результатами опытов с Asap 4, 5, 6-мутантами. Было сделано предположение, что экспрессия SAP 4, 5 и 6 происходит под влиянием каких-то макрофагальных медиаторов посредством фактора транскрипции CaTeclp, распознающего повторяющиеся последовательности промоторов.
Адгезия Candida spp. к тканям считается начальным звеном в цепи событий, приводящих к развитию кандидоза. В связи с этим проводились многочисленные исследования механизмов адгезии и проводилось сопоставление их с вирулентностью Candida spp. С тех поп как стало возможным измерять степень адгезии, хега-
молекулами основных мембран, внеклеточного матрикса, а так- белками плазмы крови.
Генетические исследования позволили уточнить имевшиеся пансе данные об адгезивах С. albicans, механизмах и субстратах специфической адгезии. Клонированы гены (ЕРА1), кодирующие терновые белки у С. glabrata; их деления на 95 % снижает степень адгезии к клеткам эпителия. Гетерологичная экспрессия этих генов V нс адгезирующих штаммов У cerewsiae сообщает им способность к адгезии. Продукты генов семейства ALS (агглютинин- подобные последовательности), общие для Candida и Saccharomyces, обнаружены в тканях на модели диссеминированного кандидоза. Найден ген HWPI, кодирующий протеин стенки гифы С. albicans. Его продукт служит субстратом для трансглутаминаз эпителио- цитов, после взаимодействия с которыми образуются ковалентные связи между оболочкой гриба и поверхностью эпителия че
ловека.
Гены, кодирующие интегринподобные молекулы дрожжей (INT1), клонированы у С. albicans, а их продукты, гомологичные аМ-цспи рецептора iC3b у человека, найдены только у этого возбудителя. Рецепторы C3d и iC3b фракций комплемента проявляют сходство с р2-интегринами человека, несущими ту же функцию, а именно с рецепторами CR2, CR3 и CR4 (или CDllc и CD21), расположенными на нейтрофилах, макрофагах, В-лим- фоцитах и NK клетках. Аналогичные рецепторы у человека обеспечивают адгезию клеток иммунной системы к эндотелию. Рецептор к C3d способствует адгезии грибов к белкам межклеточного матрикса, а похожий на CR3 рецептор — к эндотелию. Наличие у Candida spp. рецепторов, похожих на рецепторы макроорганизма, имеет значение не только для адгезии грибов к тканям, но и для распознавания грибов клетками человека. Так, например, рецепторы к комплементарному фактору iC3b, являющемуся опсонином, могут способствовать адгезии грибов к опсонизированным этим фактором эритроцитам. Далее может происходить гемолиз эритроцитов с высвобождением из гема железа, необходимого для роста грибов. Вместе с тем, у нейтрофилов человека тоже имеется рецептор iC3b (CR3). Клетки гриба, покрытые iC3b, становятся легкодоступными фагоцитозу, но с помощью собствен- н^го рецептора грибковая клетка закрывает центр связывания iL3b, затрудняя фагоцитоз.
Направления исследований «от гена к признаку» позволяют выделить новые факторы патогенности, если экспрессия новых, роверяемых или только искомых генов обнаруживается в экспе- риментальной модели инфекции. Данный подход, в частности, па1п1н^ИМеНСН ДЛЯ поиска генов, кодирующих факторы, позво- _ е выживать внутри макрофагов возбудителю гистоплазмо- ндемического респираторного СПИД-ассоциированного 286
микоза, одной из классических
внутриклеточной персистенцией «Е^"' мКИХ “"*«>«« с нои цепной реакции с использованием о^»т М”°;1 полнмсРаз- был использован для поиска генов Х^ ^««риптазы рессирующихся при взаимодействии “макпп<^ Индены несколько мРНК с повышении» .™^гами: Бы ЛИ пай- ей, и только для одной из п«ХТ пониже»иой экспресс»- соответствия в геномах;ФУгих°оЛеДОВаТеЛЬНОСТСЙ были на^ны ее трансляции. Для провеоки знчирмиЗМ°В И установлсн продукт вирулентности можно не только оценить^ксппе^6^ Фактора злать нДеТеРМИНаНТ В Х0ДС ИНФСКЦИИ или ее модели^ но6и^о ^ь штаммы-мутанты, где эти детерминанты будут отсутствовать. Так, «лишив» Н. capsulatum гена СВР1, кодирующегГ^ль- цийсвязывающии белок, который обнаруживается только в дрожжевых (внутритканевых) формах этого диморфного гриба удалось получить штамм, неспособный разрушать клетки макрофагов in vitro и в целом слабовирулентный in vivo.
Подобные методы позволили также подтвердить патогенетическое значение генов, связанных с образованием капсулы С. neoformans. Наличие полисахаридной капсулы напрямую связывают с патогенностью С. neoformans. Бескапсульные и слабоин- капсулированные штаммы менее вирулентны и вызывают легкие формы инфекции. Роль капсулы С. neoformans рассматривается прежде всего как защита оболочки от влияния факторов резис
тентности макроорганизма.
В качестве одного из главных факторов патогенности С. neoformans в настоящее время рассматривается способность к образованию меланина. Эта способность связана с фенол оксидазной активностью, т.е. наличием ферментов, позволяющих синтезировать меланиноподобные вещества из ДОПА и других суостратов с дигидроксифенолом. Такими субстратами, в частности, богат головной мозг. Значение меланинов как факторов патогенности предполагается в обеспечиваемой ими повышенной устойчивое - ти к действию фагоцитарных перекисных радикалов и вообще окислителей. Таким образом, за счет использован™ катехоламинов макроорганизма и меланизацни своей оболочки клетка С пео /XX сопротивляется окислительному повреждению продукта- ми кислорода и оксида азота. кодирующий фер- мен^=^
-котирующие их гены, и в от-
™™"ых7^а^ подтвердить или'опровергнуть значение ,ч Хтайных факторов в патогенезе микозов на генетическом > L" Ru m „ытетено несколько новых генов, экспрессия кото- п^отмечастся в холе инфекции или приводит к большей виру- е ,и™тн гриба-возбудителя; охарактеризованы их продукты. По мерс завершения новых геномных проектов число таких генов и соответственно число потенциальных факторов патогенности бу- .„ уветичиваться. В то же время, даже располагая сведениями о многих"доказанных факторах патогенности, трудно составить кар- тмну патогенеза и общего «поведения» возбудителен в ходе инфекции. При этом следует делать поправки на наличие разных форм и стадий инфекции, вызванных теми же возбудителями, разницу в изучаемых штаммах грибов и отличия между моделями инфекции — разными лабораторными животными и условиями макроорганизма человека. Предполагая патогенез микозов заведомо комплексным с многофакторной, поливалентной вирулентностью возбудителей, современные исследователи оговаривают необходимость многих дальнейших работ.
Генетика грибов и регуляция патогенности
О механизмах регуляции факторов патогенности у возбудителей микозов по-прежнему известно очень мало. Основной вопрос в приложении к конкретным патогенным или условно-патогенным грибам может быть сформулирован так: отчего и как происходят те комплексные изменения фенотипа возбудителя, которые проявляются, с одной стороны, образованием факторов агрессии, а с другой — адаптацией к условиям макроорганизма человека. Сложность данного вопроса обусловливает необходимость многочисленных исследований, посвященных отдельным молекулам и процессам взаимодействия гриба и макроорганизма.
Молекулярно-генетические исследования формулируют данный вопрос более конкретно: как происходит регуляция экспрессии генов, связанных с патогенностью грибов? Варианты решения могут быть разными. Во-первых, можно изучить, как (с привлечением каких механизмов) осуществляется регуляция экспрессии
^ ”аЙДеннь,х и доказанных факторов патогенности (ли- ^ерментов» адгезинов и пр.). Во-вторых, можно Про- H. *™BH0CTb известных грибных систем регуляции (сигналь- емы, каскады) в ходе инфекции.
холоп к°иН"'ОфеШН°СТЬ этих и всех существующих сегодня под- в томгенетической регуляции патогенности состоит
не только^щие механизмы регуляции определяют
рессию факторов патогенности, но и общие фи- 288
биологические процессы в грибной клетке: обмен ьчяеегк моо фогенез, половой цикл развития и лр. В частное™, гомозыи известного регуляторного гена STE12 у У cerevisiae, задействованного в процессах спаривания (см. с. 173), у С. neoformans ассоциируются с регуляцией образования капсулы и меланизации, а у С. albicans, по-видимому, вообще нс связан с каким-либо фактором патогенности.
Выделить механизмы, регулирующие экспрессию только факторов патогенности, едва ли представляется возможным. Так, ослабленная вирулентность штаммов-мутантов, лишенных тех или иных регуляторных генов, может быть обусловлена нс сокращением экспрессии какого-то фактора патогенности, а общим снижением жизнеспособности.
У С. albicans изучены разные аспекты регуляции экспрессии генов, связанных с таким общим процессом, как морфогенез. Аналогом транскрипционного фактора STE12 5. cerevisiae, опосредующего переход от бластоконидий к псевдомицелию, у С. albicans является СРН1. Этот фактор регулируется МАП-киназным каскадом. В его состав входят киназы CST20 (гомолог STE20), HST7 (гомолог STE 7) и СЕК1 (гомолог FUS3 и KSS1) (рис. 86).
Яуль-мутации любого из этих генов или самого СРН1 приводят к ухудшению образования гиф на твердой сре-
Образование гифРис. 86. Сигнальные системы. ассоциированные с морфогенезом и вирулентностью С. albicans(К. В. Lcnglcr е( а!.. 2000)Образование гифРис. 86. Сигнальные системы. ассоциированные с морфогенезом и вирулентностью С. albicans(К. В. Lcnglcr е( а!.. 2000)де, однако в присутствии сыворотки такие эффекты не отмечены. В то же время мутанты cekl имеют незначительные дефекты роста и меньшую вирулентность. Подобные находки могут свидетельствовать о том, что регуляторные каскады на разных уровнях могут быть связаны с разными процессами, в том числе — с опосредующими вирулентность. Ослабление вирулентности отмечено также для мутантов cst20, но нс для hst7 или cphl. Фосфатаза МАП-киназы СРР1 также ассоциируется с образованием мицелия С. albicans, а штаммы, лишенные обоих аллелей cppl, отличаются гипср- филаментацией и ослабленной вирулентностью.
Образование гиф
Рис. 86. Сигнальные системы. ассоциированные с морфогенезом и вирулентностью С. albicans
(К. В. Lcnglcr е( а!.. 2000)
Образование гиф
Рис. 86. Сигнальные системы. ассоциированные с морфогенезом и вирулентностью С. albicans
(К. В. Lcnglcr е( а!.. 2000)
В рефляции морфогенеза С albicans принимает участие и другой фактор тоанскрипиип - EFGI Эго белок-гомолог PHDI у 5. се- revisiae Избыточная экспрессия его гена приводит к филаментами,, С. albicans, а мутанты efelfcfel отличаются сниженной спо- собностью к образованию гиф, и при взаимодействии с сывороткой дают нс истинные гифы, а псевдогифы. Мутанты сразу по двум генам - cphl/cphl и efgl/efgl - отличаются более тяжелыми дефектами филаментации (образования гиф) и являются вполне авирулентными. Это одно из свидетельств в пользу взаимосвязи регуляции морфогенеза и вирулентности.
Друтим механизмом регуляции морфогенеза С. albicans является ПКА-зависимый путь (рис. 86). Установлено, что образование гиф сопровождается повышением концентрации цАМФ; подавление цАМФ фосфодиэстеразы активизирует филаментацию, а ингибиторы протеинкиназ подавляют рост гиф. Ген протеинки- назы ТРК1 экспрессируется при образовании мицелиальных форм, а мутанты tpkl/tpkl отличаются меньшей способностью к филаментации. При этом филаментация таких мутантов восстанавливается при усиленной экспрессии СЕК1 или EFG1, а экспрессия ТРК2 нивелирует дефекты филаментации мутантов cekl/cekl, но не efgl/efgl. По-видимому, транскрипционный фактор EFG1 в регуляторной цепи расположен ниже уровня цАМФ. Фактор ТРК1 может считаться одним из основных звеньев регуляции морфогенеза С. albicans. Мутации его гомологов у S. cerevisiae оказывают существенно менее значительное влияние на филаментацию.
Еше одним регулятором филаментации С. albicans является фактор RAS1, который находится на уровне выше МАП-киназного и цАМФ-зависимого путей. Мутанты rasl/rasl отличаются такой же сниженной способностью к филаментации, как cphl/cphl и efgl/efgl. Среди известных факторов генетической регуляции TUP1 гомолог общего репрессора транскрипции 5. cerevisiae также принимает уча- стие в регуляции морфогенеза, но, по-видимому, независимо от МАП-киназы или протеинкиназ. Гены, экспрессия которых регулируется данными факторами (HWP1, ЕСЕ1 и др.), напрямую связаны со способностью к образованию гиф или псевдогиф.
Предполагается, что существуют и другие пути регуляции морфогенеза, поскольку мутанты по всем перечисленным генам сохраняют способность к филаментации при определенных условиях. При этом ослабление вирулентности отмечается не только при подавлении филаментации, но и при усилении активности данных регуляторных путей и гиперфиламентации. Это может свидетельствовать о том, что для развития кандидоза важно существование как дрожжевых, так и мицелиальных форм возбудителя, и их своевременное чередование.
Каким образом полиморфизм Candida spp. отражается на их патогенности? В мицелиальной и дрожжевой фазах грибы адапти- 290
“я б°ЛСС щслочных средах крови ОТдслов кишеч- Ррбнои флорой толстой кишки и im от ко кт,“' Вмсстс с анаэ- Переход в мицелиальную фазу обеспечим хгповсРхностяхтела. абсорбцию питательных веХв ^о лае " недостатке источников углерода и азотГ ВЫЖИть ПРИ фазу при благоприятных условиях обеспечивает ш<^м дроЧевую
СЧСТ бЬ,СТР0Г° рДзм—гяпо”^ ^ рапра ЗГСиСРСДЫ организма человека,™. темпе-
м - с и pH > 6,5, довольно бедное свободными питательными веществами и вообще неблагоприятное окружение распо лагают к росту псевдогиф и настоящего мицелия^акимРобра- зом, немалое и, по-видимому, главное преимущество мицелиальной фазы Candida spp. - адаптация к естественным условиям макроорганизма.
В отношении собственно патогенных свойств псевдогифы и гифы также имеют преимущество перед дрожжевыми клетками. Большая длина клетки означает не только большую площадь абсорбции питательных веществ, но и большую поверхность для адгезии. Рост новых клеток — единственная форма движения гриба. В настоящем мицелии рост новых клеток строго апикальный, а у псевдогиф также с поляризацией на одном конце клетки. Равномерному мультиполярному росту в дрожжевой фазе противостоит направленный, с концентрацией у верхушки, рост мицелиальной фазы. При инвазии, т.е. движении гриба в ткани макроорганизма, создается концентрация давления на ограниченном участке. Кроме того, апикальное распределение метаболических процессов допускает и наибольшую активность литических ферментов у верхушки.
С переходом из одной фазы роста в другую изменяется строе- ние клеточной стенки. Применительно к ее внешним слоям.можно предположить, что с их изменением 1,™е™”™ ^^ и антигенные свойства клетки, а следомтельноассошифо, ванные с оболочкой факторы вирулентности. 0^»® £ та гриба в мицелиальной £зе^^ что длинные клетки псевдогиф и ж.(ЯКОООпганизма ми-
ются фагоцитозу. Влияние™ ^^ют и на более высоком уров- цслиальныс формы С. albicотличие от бластокони-
„е иммунорегуляции. У™”^™ ”^и интерлейкина-12 ДИЙ гифы С. albicans не с', следовательно, развитию за-
дендритными клетками человеку , ел Д„ ^^ „с
м1, клетками крови человека, а восстановление EFG1 ведет к по- давлению этого “"токина. экспрСссия которых связана и с
Известны пены С. о»ка«. эк Р )остью (табл 41) М^™^мТ^^ факторы патогенности - зХ^Ха. которые обнаруживаются только в определении фамдиморфных грибов (классических возбудителен энде- пои фазе ди W _ aibjcans и некоторых других). К генам по- ХыхфаХ" с. albicans относят, в частност,,, ЕСЕ1, HWP1, ALS3 и HYRL связанные с мицелиальном фазой.
Таблица 41. Некоторые гены С. albicans, ассоциированные с морфогенезом и вирулентностью (no P.J. Rooney, и В. S. Klein)
Ген
Белок или функция
Влияние экспрессии на образование гиф
ALO1
D-арабино-1,4-лакгоноксидаза
Стимулирует
САР1
Адснилатциклаза-ассоциированный белок
Стимулирует
СНК1
Гистидинкиназа
Стимулирует
СРР1
Ccklp (МАП-киназа) фосфатаза
Подавляет
CRK1
Сдс2-связанная киназа
Стимулирует
EFG1
Фактор транскрипции
Стимулирует
H0G1
МАП-киназа
Подавляет
HWP1
Белок клеточной стенки гифы
Стимулирует
1NT1
Адгезии
Стимулирует
LIG4
ДНК-лигаза
Стимулирует
NIKI
Гистидинкиназа
Стимулирует
РМТ1
Протеинманнознлтрансфера
Стимулирует
РМТ6
Протеинманнозилтра нефе раза
Стимулирует
RFG1
Регулятор транскрипции
Подавляет
RSR1
Has-связанный белок, выбор локуса почкования
Стимулирует
SSK1
Двухкомпонентный регулятор ответа
Стимулирует
SLN1
1 истидинкиназа
Стимулирует
ТЕС1
Фактор транскрипции
Стимулирует
VPS34
Фосфатид ил и нозитол - 3 - ки наза
Стимулирует
ствующих мутантов. МОСВЯЗЬ с виРУлснтностыо оценена по свойствам соотвст-
I'Up.SUla turn ичы. У //. сар_I'Up.SUla turn ичы. У //. сар_пиле для пато-пиле для пато-sea»-*
I'Up.SUla turn ичы. У //. сар_
I'Up.SUla turn ичы. У //. сар_
пиле для пато-
пиле для пато-
установлена. Третий из известных? продуктов нс
дитсля гистоплазмоза специфичный ^"^''“b’x генов возбу- (кальиийсвязьжающ^л^^^^
Мутанты, лишенные данного гена не Кни т»10' рофати ,w,ro и вызывать колоний ~ ~^
^ В dermatlhdls> возбудителя бластомикоза, найдены два гена экспрессирующиеся только в дрожжевой фазе: BYS1 (кодирует белок с мол. массой 19 кДа, с неизвестной функцией) и BAD-1 Последний ген кодирует известный иммунодоминантный белок 1-1. Он считается одним из главных факторов патогенности В. dermatitidis, участвующим в адгезии (адгезин/инвазин), и основным антигеном, вызывающим клеточные и гуморальные реакции. Это белок клеточной стенки с мол. массой 120 кДа. Он образуется только в дрожжевой фазе, что четко прослеживается при конверсии фаз. С помощью антигена WI-1 возбудитель связывается с макрофагами, а опсонизация блокирующими антителами к WI-1 препятствует адгезии. Клеточными рецепторами для антигена WI-1 являются CR-3 (CDllb/CD18) и CD14. Предполагается, что возбудитель способен регулировать экспрессию антигена WI-1 на своей поверхности, при необходимости наращивая его содержимое или, наоборот, избавляясь от него либо экранируя этот антиген другими молекулами. Эго позволяет возбудителю не только проникать в ткани макроорганизма, но и избегать уничтожения. У африканских штаммов В. dermatitidis отсутствуют некоторые антигены классического американского возбудителя, в частности экзоантиген А, по строению близкий к WH. Штаммы-мутанты badl не способны проникать внутрь макрофагов и вызывать активную инфекцию у лабораторных животных.
Фазоспецифичным геном возбудителя кокцидиодоза C.immitis является SOWgp58, экспрессируемый только тканевыми формами. Продукт данного гена считается адгезином.
У возбудителя криптококкоза С. neoformans генетические ме ханизмы, регулирующие вирулентность, сю”“™‘^^ ей как морфогенеза, так и полового цикла. Регуляторны мы включают и МАП-киназный, и №" же кальциневринопосредованныи м-сха,“GPA1 (Ga_
ты протеинкиназного пути у С. neofornй сигналы о со-
белок), компонент цАМФ-системы, пров^ ^^ Дрхтой IUCH- держании различных веществ за прбыть задействован и
тифицированный комп0"™^ СИСтемах способствуя их взаимо- в МАП-киназной, и в цАМФ системах, cut
г'йствню Один из элементов G-белка, GBP1, участвует в прове- тении сигналов пол действием феромонов при половом процессе. Взаимосвязь полового цикла и вирулентности, в частности, видят в том, что клетки МАТа-типа более вирулентны, чем клетки МАТа. Взаимосвязь с какими-то факторами вирулентности могут иметь некоторые элементы регуляторных систем, имеющиеся только в клетках МАТа-типа, например гомолог STE12a — компонент МАП-киназной системы.
МАП-киназная система С. neoformans во многом охарактеризована. Одна из ранних стадий проведения сигнала (ответ на действие феромонов) зависит от субъединицы G-белка (ген GPB If Мутанты gpbl стерильны и отличаются сниженной вирулентностью. В то же время усиленная экспрессия GPB1 стимулирует половой морфогенез (вытягивание клеток). Возможно, что элементы GPA1 и GPB1 дополняют друг друга, представляя компоненты двух сигнальных систем, один из которых проводит сигналы внешней среды и реагирует на внеклеточную концентрацию питательных веществ, а другой принимает сигналы феромонов.
С цАМФ-системой С. neoformans, регулирующей процесс спаривания, связаны такие важные для вирулентности процессы, как образование капсулы и меланина. Мутанты gpal отличаются дефектами спаривания и при этом неспособны образовать капсулу и вырабатывать меланин. Штаммы таких мутантов авирулентны в
Рис. 87. Сигнальные системы, регулирующие половой цикл, морфогенез и вирулентность С. neoformans (K.B.Lengler ct al., 2000)
~ Экзоте 1ЛМф п
"Уть регулирует образце ^~ о то\Тчо ,^ ТрелХГ"°С™ С *- ^"‘'И” ~ “** 1 фсдполагаемая общая схема опт.
Регулирующих половой цикл моп£лгации сигнальных систем formans, представлена на рис’ 87 ₽^ СНСЗ И пирУлснтность С. пео-
Эволюционные аспекты патогенности
Интерес к эволюционнымпод
правлять специальные исследован^ г патогснности может на- нако эволюционные асп^ыпатогённо"™ ч^р"^ геночны^п™ ^ П° гсносистема™“ возбудителей микозов или пятили пР°ектов- предусматривающих сопоставление геномов патогенных и непатогенных грибов с выделением специфичных генов. Еще одним источником данных могут стать исследования полового цикла развития известных патогенных грибов. Так, например, были получены свидетельства существования полового цикла развития у С. albicans, традиционно считавшегося бесполым организмом. После того как были установлены факты обмена ДНК и предположена генетическая рекомбинация, в геноме С. albicans были найдены гомологи локусов спаривания 5. сеге- visiae (MTL) и регуляторных генов. Были созданы комплементарные штаммы-гомозиготы (MTLa/MTLa и MTLa/MTLa) и осуществлен процесс спаривания, приведший к образованию тетра- плоидов in vivo.
Значительный интерес представляет эволюция одних из немногих облигатно патогенных грибов, практически единственных возбудителей контагиозных микозов, имеющих строго антропо- фильных представителей — дерматофитов. Немногие виды дерматофитов поражают миллионы людей. Дерматофиты называют геофильными, зоофильными или антропофильными в зависимости от их обычной среды обитания - почвы, организма животных или человека. Члены всех трех групп могут вызывать заболе- вания человека, но их различные "ДЙ޹возбХге- ляют эпидемиологические особенности " “"^"^“гер. ля, распространенность и географию ареалов. Хотя многие гео фильные дерматофиты могут вызывал^„„н^' и у людей, наиболее привычной. ^Хчьн^ и а^пофизь- этих грибов является почва. Члень $„ других населяю-
ной групп произошли, как ^"™|° ’ 1ть кератйн. В ходе эво- щих почву сапрофитов, способных рх р.
копии такие вилы приспособились к новым специфическим хо- = Эт прелешмения. как и существовавшая схема таксо- ном“ дерматофитов, были пересмотрены и осмыслены вновь в хоте "них Пекулярно-генетических исследовании.
Бы о установлено, что некоторые виды дерматофитов специфичные дм определенных типов хозяев, оказались весьма близ- к м филогенетически к другим видам, довольно далеким от них фенотипически и имеющим других хозяев. Так, очень близкими оказались зоофильные виды с известной тслеоморфои (сумчатой сталией) и заведомо бесполые антропофильные виды Microsporum.
Процесс эволюции дерматофитов сегодня представляется как формирование бесполых, слабо спорулирующих и обычно аук- сотрофных линий с одинаковым типом спаривания. Эти линии формировались в процессе перехода от первичных хозяев связанных с землей млекопитающих (грызуны, собачьи, кошачьи) к новым, не имеющим постоянной связи с почвой (человек, лошадь). Многие типичные для дерматофитов признаки: обильное конидиеобразование, аутотрофизм, гетероталличное спаривание, способность к перфорации волоса — могли сохраняться при сохранении одной экологической ниши — места обитания животного, где дерматофиты постоянно соприкасались с шерстью, чешуйками кожи и влажной почвой, подходящими условиями для полового размножения дерматофитов. По мере перехода к новым хозяевам, не имеющим постоянной связи с почвой, дерматофиты могли утрачивать способность к перфорации волоса и специфической кератинофилии, уреазную активность, интенсивное конидиеобразование и продукцию разных ростовых факторов. Наглядным примером могут служить лабораторные тесты, дифференцирующие такие виды, как Trichophyton rubrum и Т. menta- grophytes, по неспособности первого перфорировать волос и разлагать мочевину.
Филогенетические исследования разных видов дерматофитов позволили сделать предположения относительно их происхождения и родства, выделить возможные направления эволюции и выбора хозяев. По-видимому, смена хозяина у таких видов, как Т. mentagrophytes и близкородственные виды, произошла только один раз. Поэтому термины «антропофильный» и «зоофильный» ^^У67 пРименять к видам дерматофитов, а не отдельным штам-
Главный возбудитель дерматофитии человека, обусловливающий льшую часть заболеваемости и колоссальные расходы на ле 1ение в индустриально развитых странах, антропофильный вид КЗК оказалось» имеет строго клональный тип размно- М0РФизма ДНК не было выявлено при изу- ммов T rubrum, выделенных на разных континентах от разными формами инфекции. Использование тех же ме- 296
тодов у С. albicans выявило 12 полиморфных локусов в б маркерах RAMD. На этом основании было сделано предположение, что генотип Т. rubrum не изменился со времени его распространения из эндемичного района в Юго-Восточной Азии. Отсутствие генетического полиморфизма было отмечено также у других антропофил ьных Trichophyton (Т. tonsurans, Т. mentagrophytes var. interdigitale). Уникальная генетическая однородность дерматофитов может отражать их высокую специализацию в отношении хозяина, оправдывая облигатную патогенность и контагиозность дерматофитии.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА ГРИБОВ (ПРИМЕРЫ)(из Trends in Genetics, 1998)
Ниже приведены обозначения генов и контролируемых ими белков у наиболее распространенных грибных генетических моделей.
Schizosaccharomyces pombe(интернет-адрес httpV1112.blo.uva.nl/pombe);Saccharomyces cerevisiae
(интернет-адрес httpV/genоте-www.stanford. edu/saccharomyces/)
Общие положения
Символы генов: argl, leu 2, cdc25, rad21; аллели: одного локуса - oded-M26, о^еб-469, дикий тип — arg* или +; белки: Argl, Leu2, Cdc25, Rad2l (или Arglp... Rad21p); фенотипы: arg\ arg" (5. pombe); Arg*, Arg" (S. cerevisiae).
Детали
Гены. Комплементационные группы мультифункциональных
генов:
обозначаются заглавными буквами и номером локуса: trplA;
митохондриальные гены даются в квадратных скобках: [сох7];
у 5. cerevisiae сохраняются и старые названия (р*, р~).
Аллели, Резистентности (чувствительности) к веществу, тем- пературо(холодо)чувствительности — canl-1 cdc2-5u top2-250“;
супрессорных мутаций — sup3-5 (дикий тип sup3*);
аллели, полученные в процессе технологий рекомбинантных ДНК — разрыв (disruption); интеграция :: делеция (-D) или (-del), или ("А); замещение (replacement) -rl или -г2.
Пример. Разрыв ade6 путем интеграции функционального гена ига4 adeo ига4* интеграция ига4-1 на место ade6 без разрыва последнего — ade6 int:: ura4-l.
^ pombe: matl-M, matl-P; гены спаоива- Н^г^епптЛ’ mQtl~Pm'ты^Мс» типы спаривания: гомоталличный спап^^м1т'Т \(?"^’ "(h ’• 5 “"visiae-. МАТа, МАТа; ГЕЦЫ У12РШ5ация: MATal, MATa2.
«•eP/f» ™н UITSMM°e:, гаплоидные - й+ ade6-M26 argl-230 мы с пл,^ 5ДНЫСл';?УА" Qd=6-M25/ade6-469 а^1-230А; штам- мы с плазмидой — cdc22u[pSUC22J. 6 '
,с ^^ш^шшлсамеоам: I, п ш п пи
^тС^ - Номера, ,=) - телох^ ^^ {■jp»*^^*.. v, II - номера хромосом; R, L - плечи ^У^"* (Y ~ ^ направление транскрипции). Плазмилы И Ж, С ~ W ~
Обозначения штямчпн. РаТГоГОЗ ’ SU2Z
.Aspergillus nldulans
hPpl-^^
Общие положения
Гены: ЬНА, ргоА, proB, riboA.
^^ДЛ- ргоА], ргоА2, мутантные аллели - ргоА-I, ргоА-2 пгоВ-З-
если локус не установлен — рго99; дикий тип — ргоА*
Бедки: BRLA, PROA, RIBA.
Фенотипы: BrlA.
Детали
Гены: первый (А) и второй — (В) — идентифицированный ген соответственно и т.д.; riboA, riboB, ribo С.
Митохондриальные гены: [со/и/1].
Аллели: nirAlc (С — конститутивный).
Супрессоры: suAlproAl (при неизвестном аллеле — suAlprdy, используют также трехбуквенное обозначение супрессоров — smsA (супрессор чувствительности к мутагенам).
Генотипы: группы сцепления — proAl, biAl, ругоА4; диплои- ды — proAlA; VpyroAL
Названия штаммов: FGSC4; GO51.
Neurospora crassa
(интернет-адрес http J/www.kumc.edu/research/fgsc/main.html)
Общие положения
Гены: mnr асе-1, ad-1. 6т/(доминантный), к«-2 к«-3_
Аллели: дикий тип - leu-2; м>-п*тныс ~ *»-ДЛ75^, ки №П.
Белки: NMR, АСЕ-1, AD-1, LEU-2 LEU-3.
Фенотипы: leucine-requiring, benomyl-resistant.
Детали
Гены: митохондриальныесг/,л ^^ супрес-
Генотипы: nit-2, 1еи-3.
Хромосомы: I — VII (плечи IR I HL).
Перестройки: T — транслокация; In — инверсия; Тр — транспо зиция; Dp — дупликация: T(IIIR, VI)! — реципрокная транслока ния; In(IL, IR) OY323; Tp(IR->IR) Т54М94; Dp(VIIR-VL)AR33
Обозначения штаммов: Lindegren 1А, 25а, O74OR-23-A1
Spuiger-3, Spurger-7.1
Транспозиция: транспозон Tad.
Предисловие
ОГЛАВЛЕНИЕ
3
ЧАСТЬ I. ГРИБНОЙ ГЕНОМ И ПУГИ ЕГО ИЗМЕНЕНИЯ
Глава 1. Структура и организация генома грибов
Структура гена
Интроны
Классические ядерные интроны'
Механизмы интеграции интронов и их происхождение
Реорганизация генома. Структурные перестройки и модификации геномов
Транспозоны класса 1
Транспозоны класса II
Участие транспозонов в патогенезе
Механизмы защиты от чрезмерных транспозиций
и поддержание интегративной целостности геномов
Дупликации генов. Семейства генов. Пссцдогены
Мобильные элементы митохондриальных геномов. Плазмиды
Линейные мт-плазмиды
Ковалентно замкнутые циклические мт-плазмиды
Вирусы
Ядерный статус грибов
Жизненный цикл грибов
Гетерокариоз
Глава 2. Мутации
Типы мутаций и факторы, их индуцирующие. Специфика отбора
мутантов у грибов
Цитоплазматические мутации
Ядерные мутации••;•
Направленный мутагенез (site-directed mutagenesis)
Инссрционный и делеционныи мутагенез
Глава 3. Рекомбинации
Мсйотичсская, или половая, рекомбинация
Тетрадный анализ моногибридного скрещиваниями
Тетрадный анализ дигибридного скрещивания со сцеп.
локусами
Интерференция
.. 8 .14 .15 ..18 .19
23
35
37
44
45
48
51 .54
56
57
58
59
66
68
..68 „74.
..78 ..87 ..90
..92
96 100
101
104
105107108109 ПО117119105107108109 ПО117119121124125125128129132 133135121124125125128129132 133135
105
107
108
109 ПО
117
119
105
107
108
109 ПО
117
119
121
124
125
125
128
129
132 133
135
121
124
125
125
128
129
132 133
135
Дигибридный анализ несисплснных генов
Картирование генов
/гс-Гены
Внутригснныс рекомбинации
КОс”^1^за'°оломсрио«^^ процесса конверсии
^Х^^Хпп^ГХёпёёиваюший конверсию
и рекомбинацию
Митотическая рекомбинация
Получение гетерокарионов
Получение диплоидов Соматическая рекомбинация
Гаплоидизация
Нерасхождснис хромосом
Митотический кроссинговер
Картирование
ЧАСТЫ!. ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ
Глава 4. Бесполый цикл139
Генетический контроль дрожжевого роста139
Генетический контроль мицелиального роста143
Прорастание спор143
Вегетативный рост колонии144
Спорообразование147
Зигомицеты148
Аскомицеты149
Таллические конидии149
Бластические конидии151
Циркадные ритмы158
Мицелиально-дрожжевой диморфизм161
Возраст и старение163
Глава 5. Генетика полового цикла166
Морфологический гетероталлизм168
Физиологический гетероталлизм. Димиксис169
Регуляция полового процесса у аскомицетных дрожжей169
Жизненный цикл и переключения типов спаривания169
Структура факторов спаривания171
Альфа- и а-специфичныс гены и их продукты172
Гены и их продукты, функционирующие в диплоидных клетках ... 174
Регуляция полового процесса у мицелиальных аскомицетов176
Локусы спаривания176
Генетическая регуляция плодообразования179
Диафоромиксис 181
Классическая генетика181
Молекулярная генетика 186
Schizophyllum commune и Coprinus cincrcus187
Ustilago maydis
190193190193Генетическая рефляция плодообразоапни.
190
193
190
193
ЧАСТЬ III. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ Пигги v„„
И ЭВОЛЮЦИИ ГРИБОВ П0ПУЛЯЧИЙ
Г л а в a 6. Эволюция систем размножения
Увеличение рекомбинации Снижение рекомбинации. Экологическая роль систем размножения
Глава 7. Гетерокариоз и вегетативная несовместимость
Гетерокариоз
Вегетативная несовместимость
Генетика вегетативной несовместимости Экологическая и популяционная роль вегетативной несовместимости
...196199 ....201 ....206210210 212 212...196199 ....201 ....206210210 212 212216216ЧАСТЬ IV. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ГЕНЕТИКИ ГРИБОВ
...196
199 ....201 ....206
210
210 212 212
...196
199 ....201 ....206
210
210 212 212
216
216
Глава 8. Генетические основы селекции грибов
Селекция продуцентов грибных метаболитов
Первичные метаболиты
Регуляция синтеза
Примеры генетической регуляции метаболизма у грибов
Селекция
Вторичные метаболиты
Регуляция синтеза
Пенициллины и цефалоспорины
Селекция
Генетические основы селекции съедобных грибов
Оценки изменчивости
Использование природной изменчивости
Мутагенез
Рекомбинация
Половая гибридизация
Вегетативная гибридизация
Генетическая инженерия
Глава 9. Генетика патогенности фигопатогенных грибов
Генетика патогенности^^""“"^-
Вирулентность
Рост гифы на поверхности растения
Трансдукция сигнала".
Формирование инфекционных структур
.218.218 .219 .219 .220 ..229 .232 .232 ..232 .236 ..238 ..239 ..244 ..244 ..245 ..246 ..250 ..250..253.218.218 .219 .219 .220 ..229 .232 .232 ..232 .236 ..238 ..239 ..244 ..244 ..245 ..246 ..250 ..250..253.254..258.258 259.259 .261 .264.254..258.258 259.259 .261 .264Деградация растительных покровов
.218
.218 .219 .219 .220 ..229 .232 .232 ..232 .236 ..238 ..239 ..244 ..244 ..245 ..246 ..250 ..250
..253
.218
.218 .219 .219 .220 ..229 .232 .232 ..232 .236 ..238 ..239 ..244 ..244 ..245 ..246 ..250 ..250
..253
.254
..258
.258 259
.259 .261 .264
.254
..258
.258 259
.259 .261 .264
Подавление защитного потенциала растений267
Умерщвление клеток хозяина 267
Подавление защитного потенциала клеток270
Детоксикация активных форм кислорода271
Детоксикация токсических веществ растений271
Глава 10. Генетика патогенности возбудителей микозов274
Современные направления исследовании генетики грибов, имеющих значение для медицины 274
Исследования генома Candida albicans275
Исследования генома Aspergillus fumigatus278
Исследования генома Cryptococcus ncoformans280
Перспективы постгеномных исследований281
Генетика патогенности возбудителей микозов283
Генетические детерминанты патогенности возбудителей микозов284
Генетика грибов и регуляция патогенности288
298298Эволюционные аспекты патогенности295
298
298
Приложение
Учебное издание
Дьяков Юрий Таричанович,Шнырева Алла Викторовна,Сергеев Алексей Юрьевич
Введение в генетику грибов
Учебное пособие
Редактор Г. Г. Есакова
Технический редактор Н. И. Горбачева
Компьютерная верстка: Л. А.Смирнова
Корректоры В. А. Жилкина, Г. Н. Петрова, Н. В. Савельева
Диапозитивы предоставлены издательством
Изд. № А-1301-1. Подписано в печать 25.05.2005. Формат 60*90/16.
Гарнитура «Таймс». Бумага тип. Яз 2. Печать офсетная. Уел. псч. л. 19,0.
Тираж 2000 экз. Заказ № 14892.
Издательский центр «Академия».м
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.004796.07.04 от 20.07.20 117342, Москва, ул. Бутлерова, 17-Б, к. 360. Тел./факс: (095)334-8337, 330-1092.
Отпечатано в ОАО «Саратовский полиграфический комбинат»
410004, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59.
ВВЕДЕНИЕ В ГЕНЕТИКУ ГРИБОВ
Издательский центр «Академия»
Высшее профессиональное образованиеВысшее профессиональное образование
Высшее профессиональное образование
Высшее профессиональное образование
Ю. Т. Дьяков
А. В. Шнырева
А. Ю. Сергеев
ВВЕДЕНИЕ
В ГЕНЕТИКУ
ГРИБОВ
СЛОЕМ А
Естественные науки
ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОплинг
Ю.Т. ДЬЯКОВ, А. В. ШНЫРЕВА, А. Ю. СЕРГЕЕВ
ВВЕДЕНИЕВ ГЕНЕТИКУ ГРИБОВ
Рекомендовано
Учебно-методическим объединениемпо классическому университетскому образованиюв качестве учебного пособия для студентов,обучающихся по направлению 020200 «Биология»и биологическим специальностям
Москва
ACADEMA
2005
УДК 58(075.8)
ББК 28.5я73
Д931
Рецензенты:
акад.акад.РАН проф С. В. Шестаков (зав. кафедрой генетики биологического факультета Московского
акад.
акад.
государственного университета им. М. В.Ломоносова);
д-рд-рбиаз на^ п^- С- В. Каменева (биологический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова),
д-р
д-р
чл -кор РАН, проф. И. А. Захаров-Гезехус (заместитель директора Институтаобшей генетики РАН)
Дьяков Ю.Т.
Д931 Введение в генетику грибов: Учеб, пособие для студ. высш, учеб, заведений / Ю.Т.Дьяков, А. В. Шнырева, А. Ю.Сергеев. — М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 304 с.
ISBN 5-7695-2174-0
В пособии рассматривается строение грибного генома и его изменения в результате мутационного и рекомбинационного процессов; генетическая регуляция морфогенеза и жизненных циклов; эволюция систем размножения и роль гетерокариоза и вегетативной несовместимости в структуре грибных популяций; прикладные аспекты генетики грибов.
Дчя студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Биология» и биологическим специальностям.
УДК 58(075.8)
ББК 28.5я73
Оригинал-макет данного издания является собственностьюз ательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способомбез согласия правообладателя запрещается
ISBN 5 IMS П ° Дьяков Ю.Т., Шнырева А. В., Сергеев А.Ю., 2005
ISBN 5-7695-2174-0© Издательский центр «Академия», 2005