Mantarlarda Biyolojik Saat: Neurospora ve Sirkadiyen Ritim

Gözü ya da beyni olmayan bir mantar sabahı önceden bilebilir mi? İpliksi mantar Neurospora crassa bu soruya hücrelerinin içindeki moleküler bir saatle cevap veriyor. Böyle bir saatten söz etmek için üç özellik aranır: yaklaşık bir günlük döngüyü dış ipucu olmadan sürdürmesi, çevresel sinyallerle ayarlanabilmesi ve sıcaklık değişse de temposunu koruması (Dunlap ve ark., 2007).

Bir mantar neden saat tutar?

Biyolojik zaman tutma yeteneği evrim boyunca ayrı ayrı üç ya da daha fazla kez ortaya çıkmıştır: siyanobakterilerde, bitkilere dönüşen hücre soyunda ve mantarlarla hayvanları oluşturan grupta (Dunlap ve ark., 2017). Mantarlarda ritimli olduğu bildirilen süreçler arasında büyüme hızı, stres yanıtları, gelişim kapasitesi, spor oluşumu ve metabolizmanın büyük bölümü sayılır (Dunlap ve ark., 2017). Neurospora'nın hif uçlarından nasıl uzadığını hifa nedir, mantar nasıl büyür yazısında anlattık; burada aynı ağın zamanı nasıl tuttuğuna bakıyoruz.

Saatin kültürdeki izi: spor bantları

Neurospora'da saatin dışarıdan okunabilen klasik çıktısı sirkadiyen düzenlenen eşeysiz spor oluşumudur ve bunu kültürde belirgin bantlar hâlinde izlenebilir kılan band aleli yaklaşık 40 yıldır ritim araştırmalarının temel araçlarından biri olmuştur (Belden ve ark., 2007). Aynı çalışma bu alelin ras-1 geninde bir nokta mutasyonu olduğunu göstermiş; mutantta saatin kendisi normal görünmüş ve yazarlar mutasyonun saatten gelen zayıf bir çıktı sinyalini büyüttüğünü öne sürmüştür (Belden ve ark., 2007). Bantlar saatin kendisi değil, kültüre bıraktığı bir kayıt.

FRQ ve WCC: kendi kendini frenleyen döngü

Döngünün negatif kolunu tanımlayan 1994 tarihli çalışmada frequency (frq) geninin ürünü kendi transkriptini baskılamış ve bu baskı frq mRNA miktarında günlük bir salınım üretmiştir (Aronson ve ark., 1994). Aynı çalışmada frq işlevini yitirmiş mutantlarda genin sabit düzeyde ifade edilmesi normal ritmi hiçbir miktarda geri getirmemiş, frq transkriptindeki basamaklı azaltmalar ise saati önceden tahmin edilen belirli bir evreye ayarlamıştır (Aronson ve ark., 1994).

Frenin yanında bir de gaz gerekir. Neurospora'da ışık yanıtlarının genel düzenleyicileri olan white collar-1 ve white collar-2 genleri PAS alanı taşıyan DNA bağlayıcı proteinler kodlar ve ikisi de sirkadiyen osilatörün kurulması ya da işleyişi için gereklidir (Crosthwaite ve ark., 1997). Yazarlar ışık algısında ve ritimde görev alan moleküllerin PAS bölgeleri arasındaki benzerlikten yola çıkarak eski fotoreseptör proteinleri ile saat proteinleri arasında evrimsel bir bağ olabileceğini öne sürmüştür (Crosthwaite ve ark., 1997). Bu algılayıcıların ışığı nasıl yakaladığı mantarlar ışığı nasıl algılar yazısının konusu. Bir tur kabaca şöyle ilerler:

1. Başlatma: WC-1 ve WC-2 birlikte frq genini çalıştırır; WC-2 promotöre ifade artışıyla aynı anda girip tur bitince ayrılırken WC-1 orada sürekli bulunur (Dunlap ve ark., 2007).
2. Fren: FRQ başka proteinlerle kompleks kurar, White Collar kompleksiyle (WCC) etkileşir ve onun etkinliğini düşürür (Dunlap ve ark., 2017).
3. Sayaç ve yeniden başlama: FRQ aşamalı biçimde fosforlanır; WCC'yi etkileyemeyecek kadar fosforlandığında döngü baştan başlar (Dunlap ve ark., 2017).

Periyodu ne belirliyor?

Yerleşik modelde negatif elemanın fosforlanması onun proteazomda yıkımına yol açar ve periyot uzunluğu bu yıkımla belirlenir; FRQ 100'den fazla noktada fosforlanan bir örnek olarak bu modele uyar (Larrondo ve ark., 2015). Aynı çalışmada ise FRQ'nun alışılmış yıkımı gerçekleşmediği hâlde frq aleline uygun, normal sirkadiyen salınımlar sürmüştür (Larrondo ve ark., 2015). Yazarlar bu ayrışmayı yerleşik ökaryot saat modeliyle bağdaşmayan bir bulgu olarak yorumlamıştır (Larrondo ve ark., 2015).

Sıcaklık: saati kaydırır ama temposunu bozmaz

FRQ düzeylerinin farklı sıcaklıklarda ölçüldüğü bir çalışmada daha sıcak koşullarda FRQ miktarı daha yüksek bir ortalama düzeyin etrafında salınmıştır (Liu ve ark., 1998). Bu yüzden aynı mutlak FRQ miktarı farklı sıcaklıklarda günün farklı saatlerine karşılık gelmiş ve sıcaklık değişimi yeni sentez beklenmeden saat zamanında bir kaymaya dönüşmüştür (Liu ve ark., 1998). Yazarlara göre ılımlı sıcaklık değişimleri sirkadiyen zamanlamayı aydınlıktan karanlığa geçişlerden daha güçlü etkileyebilir (Liu ve ark., 1998).

Kaydırmak bir şey, hızlandırmak başka. Sıcaklık telafisinde kendine özgü bozukluklar gösteren iki eski saat mutantı, chrono ve period-3, kazein kinaz 2 (CK2) enziminin beta1 ve alfa alt birimlerini kodluyor çıkmıştır (Mehra ve ark., 2009). Bu alt birimlerin miktarı azaltıldığında enzimin kendi sıcaklık katsayısı değişmeden saatin sıcaklık telafisi belirgin biçimde değişmiş; FRQ üzerindeki bazı olası CK2 fosforlanma noktaları değiştirildiğinde de aynı tablo ortaya çıkmıştır (Mehra ve ark., 2009). Saat işlevinde rol aldığı bilinen başka kinaz ve fosfatazların ise aynı çalışmada sıcaklık telafisinde kayda değer bir rolü görülmemiştir (Mehra ve ark., 2009).

Saat neyi zamanlıyor?

48 saat boyunca iki saatte bir örnek alınan bir RNA dizileme analizinde Neurospora transkriptomunun yaklaşık yüzde 10 ile yüzde 40 arasındaki bölümünün sirkadiyen kontrol altında ifade edilebildiği görülmüştür (Hurley ve ark., 2014). Bu genler metabolizma, protein sentezi ve stres yanıtı yolaklarında toplanmış; kabaca gündüz yıkım ve enerji üretimi, gece ise hücre bileşenlerinin sentezi ve büyüme öne geçmiştir (Hurley ve ark., 2014). Aynı çalışmada WCC'nin promotörlere bağlanması ile mRNA miktarı arasındaki ilişki güçlü çıkmamış ve yazarlar ritmin mRNA düzeyinde belirlenmesinde transkripsiyon sonrası düzenlemenin büyük rol oynadığı sonucuna varmıştır (Hurley ve ark., 2014). Işık saçan mantarlarda saatle ilişkilendirilen gözlemler için biyoluminesan mantarlar yazısına bakabilirsiniz.

Model türün dışında: Botrytis cinerea

Bitki patojeni Botrytis cinerea üzerine yapılan bir çalışmada Neurospora saatiyle benzer bileşenlere ve devreye sahip işlevsel bir saat gösterilmiştir (Hevia ve ark., 2015). Arabidopsis yapraklarında mantarın oluşturduğu lezyonlar, iki organizma şafak vaktinde karşılaştığında daha küçük kalmış ve bu etki büyük ölçüde bitkinin değil mantarın saatine bağlı çıkmıştır (Hevia ve ark., 2015). Mantar saati mutasyonla ya da sürekli ışıkla bozulduğunda virülansın gün içindeki düzenlenmesi ortadan kalkmıştır (Hevia ve ark., 2015). Evresi kaydırılmış aydınlık-karanlık döngüleriyle yapılan deneyler de etkileşimin sonucunu belirleyen ana etkenin mantar saati olduğunu doğrulamıştır (Hevia ve ark., 2015). Bu mantarın kendisi soylu çürüklük ve Botrytis cinerea yazısının konusu. Maya hücresinde protein katlanmasının kalıtımla ilişkisi mayada prion nedir yazısında ele alınıyor.

Bilimsel referanslar

Aronson, B.D. et al. (1994). Negative feedback defining a circadian clock: autoregulation of the clock gene frequency. Science, 263(5153), 1578-84. PMID 8128244. DOI 10.1126/science.8128244.

Belden, W.J. et al. (2007). The band mutation in Neurospora crassa is a dominant allele of ras-1 implicating RAS signaling in circadian output. Genes Dev, 21(12), 1494-505. PMID 17575051. DOI 10.1101/gad.1551707.

Crosthwaite, S.K. et al. (1997). Neurospora wc-1 and wc-2: transcription, photoresponses, and the origins of circadian rhythmicity. Science, 276(5313), 763-9. PMID 9115195. DOI 10.1126/science.276.5313.763.

Dunlap, J.C. et al. (2007). A circadian clock in Neurospora: how genes and proteins cooperate to produce a sustained, entrainable, and compensated biological oscillator with a period of about a day. Cold Spring Harb Symp Quant Biol, 72, 57-68. PMID 18522516. DOI 10.1101/sqb.2007.72.072.

Dunlap, J.C. et al. (2017). Making Time: Conservation of Biological Clocks from Fungi to Animals. Microbiol Spectr, 5(3). PMID 28527179. DOI 10.1128/microbiolspec.FUNK-0039-2016.

Hevia, M.A. et al. (2015). A circadian oscillator in the fungus Botrytis cinerea regulates virulence when infecting Arabidopsis thaliana. Proc Natl Acad Sci U S A, 112(28), 8744-9. PMID 26124115. DOI 10.1073/pnas.1508432112.

Hurley, J.M. et al. (2014). Analysis of clock-regulated genes in Neurospora reveals widespread posttranscriptional control of metabolic potential. Proc Natl Acad Sci U S A, 111(48), 16995-7002. PMID 25362047. DOI 10.1073/pnas.1418963111.

Larrondo, L.F. et al. (2015). Circadian rhythms. Decoupling circadian clock protein turnover from circadian period determination. Science, 347(6221), 1257277. PMID 25635104. DOI 10.1126/science.1257277.

Liu, Y. et al. (1998). How temperature changes reset a circadian oscillator. Science, 281(5378), 825-9. PMID 9694654. DOI 10.1126/science.281.5378.825.

Mehra, A. et al. (2009). A role for casein kinase 2 in the mechanism underlying circadian temperature compensation. Cell, 137(4), 749-60. PMID 19450520. DOI 10.1016/j.cell.2009.03.019.

Bu içerik bilgilendirme amaçlıdır, tıbbi tavsiye niteliği taşımaz. Herhangi bir sağlık kararı almadan önce hekiminize danışınız. Fonksiyonel mantarlar ilaç değildir ve hastalıkların tedavisinde kullanılamaz.

Atıf yapılan kaynak: 10  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya