Neurospora — ascomycete-suku ja genetiikan malliorganismi (N. crassa)
Neurospora (N. crassa) — genetiikan ja molekyylibiologian malliorganismi: genomisekvenssi, Nobel-työt ja laaja tutkimuskäyttö vuorokausirytmistä epigenetiikkaan.
Neurospora on ascomycete-sienien suku. Suvun tunnetuin laji on Neurospora crassa, joka on yleinen malliorganismi genetiikassa ja molekyylibiologiassa. Neurospora on filamenttinen, noin 25–30 °C:ssa hyvin kasvava sienilaji, jonka hyfyissä on seiniä (septa) ja joka tuottaa sekä ajallisesti syntyviä itiöitä (konidioita) että suvullisia muodostelmia (perithecioita ja askosporia).
Taxonomia ja morfologia
Neurospora-lajit kuuluvat ascomyceteihin, eli rihmasienten ryhmään, jossa suvullinen lisääntyminen tapahtuu säiliöissä (asceissa). N. crassa on filamentoiva eli rihmastomuotoinen sieni, jonka kasvusto muodostuu haploidisista hyfyistä. Se muodostaa konidioita, jotka ovat usein punertavia tai oransseja, ja suvussa on tyypillisesti perithecioita, joissa kehittyy askeja ja jokaisessa askuksessa yleensä kahdeksan ascospooria.
Elinkierto ja lisääntyminen
N. crassa on pääosin haploidinen koko vegetatiivisen vaiheen ajan. Lajin lisääntyminen voi olla suvutonta (konidiat) tai suvullista. Suvullisessa lisääntymisessä kaksoisnukleaarinen vaihe on lyhyt: eri tyyppiset hiivasolut tai hyfyt yhdistyvät, tapahtuu meiosis ja sen jälkeen mitoosi, minkä seurauksena askoksissa syntyy järjestäytyneitä kahdeksan kasasta (ordered octads) koostuvia ascosporia. Tämä järjestäytyneisyys helpottaa meioosin tuotteiden eli rekombinaation ja perinnöllisyyden analysointia.
Neurospora malliorganismina
N. crassaa käytetään malliorganismina, koska sitä on helppo kasvattaa laboratoriossa, sen elinkaari on lyhyt ja sen haploidinen vaihe tekee perinnöllisten ominaisuuksien havainnoinnista yksinkertaista: resessiiviset mutaatiot ilmenevät heti. Lisäksi askosporien järjestäytyminen tekee geneettisestä analyysistä erittäin informatiivista. Neurosporaa on käytetty laajasti tutkimuksessa, muun muassa vuorokausirytmien (kellogeenien kuten frq), epigenetiikan ilmiöiden, geenien vaimentamisen (esimerkiksi quelling) sekä solujen kehityksen, polariteetin ja fuusion mekanismien selvittämiseen.
Beadle, Tatum ja "yksi geeni – yksi entsyymi"
Edward Tatum ja George Wells Beadle käyttivät Neurosporaa kokeissaan, joista he saivat Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon vuonna 1958. Beadle ja Tatum altistivat N. crassan röntgensäteilylle, mikä aiheutti mutaatioita. He eristivät mutanteja, jotka eivät kasvaneet minimimedioissa ilman lisättyjä ravinteita (auxotrofit), ja yhdistämällä biologista analyysiä ja kemiallista lisäystä he osoittivat, että tietyt mutaatiot estivät yksittäisten entsyymien tuotantoa tietyissä aineenvaihduntareiteissä. Tämä johti "yksi geeni, yksi entsyymi" -hypoteesiin, jonka mukaan tietyt geenit koodaavat tiettyjä proteiineja. Myöhemmin Norman Horowitz laajensi tätä ajatusta selvittämällä konkreettisia entsyymireittejä, esimerkiksi arginiinin biosynteesin vaiheita.
Genomi ja nykyaikainen tutkimus
Nature-lehden 24. huhtikuuta 2003 ilmestyneessä numerossa raportoitiin N. crassan genomin täydellisestä sekvensoinnista. Genomi on noin 43 megatavua pitkä ja sisältää noin 10 000 geeniä. Sekvensointi ja sen jälkeen tehdyt genomitutkimukset ovat mahdollistaneet laajat lajikohtaiset vertailut, geenifunktioiden analyysit ja laajat mutanttikirjastot. Parhaillaan on käynnissä hanke, jonka tarkoituksena on tuottaa kantoja, jotka sisältävät jokaisen N. crassa -geenin tyrmäysmutantteja (knockout-kokoelma), mikä tekee geneettisistä screenauksista tehokkaampia.
Historia ja levinneisyys
Ensimmäinen julkaistu raportti tästä sienestä oli ranskalaisten leipomoiden saastumisesta vuonna 1843. Luonnollisessa ympäristössään N. crassa elää pääasiassa trooppisilla ja subtrooppisilla alueilla ja sitä tavataan usein kasvamassa kuolleella kasvimateriaalilla tulipalojen jälkeen — laji on adaptoitunut nopeasti muuttuviin ravinneympäristöihin, joissa kuollutta orgaanista ainesta on saatavilla.
Kasvatus, laboratorio-olosuhteet ja turvallisuus
Laboratoriokäytössä N. crassa kasvatetaan tyypillisesti minimoiduilla tai rikkailla agar- tai nestealustoilla (esim. Vogelin medio). Optimi-inokulaatio- ja kasvulämpötilat ovat tavallisesti 25–30 °C. N. crassa on yleisesti luokiteltu vähäriskiseksi laboratoriokäytössä (BSL-1-tasoinen), eikä se yleensä aiheuta tauteja terveille ihmisille, mutta itiöstä voi aiheutua allergisia reaktioita herkistyneille henkilöille. Työskentelyssä tulee noudattaa hyvää laboratoriokäytäntöä (PPE, ilmankierto, oikea jätteenkäsittely) ja ehkäistä kontaminaatiota.
Sovellukset ja merkitys tutkimuksessa
N. crassa on edelleen keskeinen työväline perinnöllisyys-, solu- ja molekyylibiologian tutkimuksessa. Sen avulla on tutkittu muun muassa:
- vuorokausirytmin molekulaarisia mekanismeja (esim. frq- ja WHITE COLLAR -proteiinit),
- geenien vaimentumista ja RNA-pohjaisia säätelymekanismeja (quelling),
- solujen polariteetin ja fuusion mekanismeja sekä kehityksen perusprosesseja,
- entsyymien ja aineenvaihduntareittien geneettistä rakennetta ja säätelyä.
Saatavuus
Neurospora-kantoja ja muuta materiaalia Neurosporan kanssa työskentelyä varten on saatavilla Fungal Genetics Stock Centeristä.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Neurospora?
V: Neurospora on ascomycete-sienien suku, jonka tunnetuin laji on Neurospora crassa.
K: Milloin tästä sienestä julkaistiin ensimmäinen selvitys?
V: Ensimmäinen julkaistu raportti tästä sienestä oli ranskalaisten leipomoiden saastumisesta vuonna 1843.
K: Miksi N. crassaa käytetään malliorganismina?
V: N. crassaa käytetään malliorganismina, koska sitä on helppo kasvattaa ja koska sen haploidinen elinkierto tekee geneettisestä analyysistä yksinkertaista, koska resessiiviset ominaisuudet näkyvät jälkeläisissä, ja geneettisen rekombinaation analyysia helpottaa meioosin tuotteiden järjestäytynyt sijoittelu Neurosporan askosporissa.
Kysymys: Mitä Edward Tatum ja George Wells Beadle voittivat N. crassaa koskevista kokeistaan?
V: Edward Tatum ja George Wells Beadle saivat Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon vuonna 1958 N. crassa -kasvintuhoojaa koskevista kokeistaan.
K: Kuinka pitkä sen genomi on?
V: N. crassan genomi on noin 43 megatavua pitkä ja sisältää noin 10 000 geeniä.
K: Mitä hanketta tutkijat toteuttavat N. crassan osalta?
V: Tutkijat toteuttavat hanketta, jonka tarkoituksena on tuottaa kantoja, jotka sisältävät jokaisen N. crassa -geenin tyrmäysmutantteja.
K: Missä ympäristössä Neurospora kasvaa luonnossa?
V: Luonnollisessa ympäristössään Neurospora kasvaa metsäpalojen jälkeen kuolleella kasvimateriaalilla pääasiassa trooppisilla ja subtrooppisilla alueilla.
Etsiä