Грибы белой плесени разделяют свой геном между несколькими ядрами, что имеет значение для будущего геномного редактирования

от

Геномы содержат полную библиотеку информации, необходимой для построения и поддержания живого организма — образные чертежи жизни. У эукариот геномы хранятся в ядрах, где они организованы в хромосомы. Эукариоты — это организмы, клетки которых имеют ядро, окружённое мембраной: растения, животные, грибы и многие микробы являются эукариотами.

Геном человека, например, организован в 23 хромосомы, каждая из которых содержит часть полного генетического кода. До недавнего времени считалось, что в каждом ядре содержится как минимум полный набор хромосом, и таким образом действовало правило «одно ядро — один полный геном».

Однако наше исследование показало, что у двух видов грибов их геномы могут быть разделены между несколькими ядрами, причём каждое ядро получает только часть общих хромосом.

Наша лаборатория в Университете Британской Колумбии изучает гриб Sclerotinia sclerotiorum, который является почвенным патогеном, вызывающим стеблевую гниль или белую плесень у различных сельскохозяйственных растений, включая рапс, сою и подсолнечник.

Несмотря на влияние на товарные культуры, генетика и клеточная биология S. sclerotiorum изучены недостаточно. Пытаясь лучше понять биологию этого гриба, наша лаборатория сделала поразительное открытие об организации 16 хромосом S. sclerotiorum во время клеточного деления и размножения.

Большинство эукариотических клеток диплоидны, то есть ядро содержит две копии каждой различной хромосомы. У многих грибов, таких как пекарские дрожжи, размножение начинается с того, что родительская диплоидная клетка делится, образуя гаплоидные споровые клетки с одним ядром, содержащим одну копию каждой хромосомы.

Однако споры S. sclerotiorum, известные как аскоспоры, содержат по два отдельных ядра. Ранее предполагалось, что каждое ядро гаплоидно и содержит полный набор из 16 хромосом. Это означало бы, что каждая аскоспора содержит в общей сложности 32 хромосомы, как и диплоидная клетка.

Используя флуоресцентную микроскопию, мы смогли напрямую подсчитать количество хромосом, присутствующих в одной аскоспоре. Примечательно, что мы постоянно наблюдали только 16 хромосом на аскоспору, что противоречит 32, предсказанным текущей теорией «одно ядро — один полный геном».

Кроме того, мы использовали флуоресцентные зонды для маркировки определённых хромосом и обнаружили, что два ядра в аскоспоре содержат отдельные хромосомы. Аскоспоры содержат один набор из 16 хромосом, разделённых между двумя ядрами, а не каждое ядро содержит полный набор хромосом.

Следующий вопрос, который мы задали, заключался в том, распределяются ли 16 хромосом случайным образом между двумя ядрами или это геномное деление следует определённому шаблону.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы разделили отдельные ядра и определили, какие хромосомы присутствуют с помощью анализа полимеразной цепной реакции (ПЦР). Мы обнаружили, что состав хромосом варьируется среди ядер, что позволяет предположить, что деление хромосом между ядрами происходит нерегулярно.

Заинтригованные, мы попытались выяснить, происходят ли подобные явления у других грибов. Botrytis cinerea — это другой вид патогенного гриба растений из того же семейства, что и S. sclerotiorum.

B. cinerea производит конидиальные споры, обычно с четырьмя–шестью ядрами, а не с двумя, которые обычно наблюдаются в аскоспорах S. sclerotiorum. Используя аналогичные методы, мы обнаружили, что 18 хромосом в геноме B. cinerea аналогичным образом разделены между ядрами, причём каждое ядро обычно содержит от трёх до восьми хромосом.

Это наблюдение показало, что «расщепление» гаплоидного генома по ядрам происходит у нескольких видов патогенных грибов растений. Однако вопрос о том, распространено ли это явление в других семействах грибов или даже у других эукариот, требует дальнейшего изучения.

Наблюдение, что гаплоидные геномы S. sclerotiorum и B. cinerea разделены между ядрами, поднимает вопросы о том, как это разделение влияет на остальную часть жизненного цикла гриба.

Для получения следующего поколения этим грибам необходимо восстановить диплоидную клетку с полным набором хромосом, из которой могут быть получены новые аскоспоры. Предположительно, для этого требуется слияние ядер с комплементарными хромосомами для воссоединения генома. Так как же эти грибы обеспечивают слияние правильных ядер?

Возможно, простейшее объяснение — это отбор жизнеспособных клеток: ядра могут сливаться случайным образом, но только те, у которых есть полный геном, будут производить жизнеспособные аскоспоры. Это кажется неэффективным, и более привлекательным сценарием было бы наличие какой-то структуры или механизма, который удерживал бы комплементарные ядра вместе после первоначального деления, позволяя им легко воссоединиться позже в жизненном цикле гриба.

Мы надеемся, что наша будущая работа даст ответы на эти увлекательные вопросы и поможет расширить наше понимание фундаментальной динамики ядер и их геномов. Это улучшенное понимание позволит совершить революцию в геномном редактировании, позволяя исследователям манипулировать хромосомами и ядрами по своему усмотрению.

Предоставлено: The Conversation.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте