Neurospora crassa: Genetiğin Model Küfü

Yirminci yüzyıl genetiğinin sahne arkasında bir küf var. Neurospora crassa, genetik, biyokimya ve moleküler biyoloji tarihinde merkezi bir organizmadır (Galagan ve ark., 2003). Laboratuvarda bu kadar çok iş görmesinin nedeni, onda hem hızlı üreyen bir mikroorganizmanın kolaylıklarının hem de çok hücreli bir mantarın sorularının bir arada bulunmasıdır. Bu yazıda o kolaylıkların ne olduğunu ve Neurospora'nın hangi mekanizmaları ilk kez görünür kıldığını anlatıyoruz.

Bir küf nasıl model organizma oldu

Hikâye 1940'larda başlar. Bir tarihsel derlemeye göre Neurospora ile yapılan çalışmalar, mikroorganizmaların genetik analizde kullanılmasına öncülük etmiş ve biyokimyasal genetik ile moleküler biyolojinin temellerini atmıştır (Davis ve ark., 2002). Aynı derleme, genlerin metabolik tepkimeleri denetlediğini göstermekte kullanılan bu küfün sonraki yıllarda, Escherichia coli ve maya araştırmalarının parlak döneminde de kullanılmaya devam ettiğini ve yüksek mantarlar için bir biyolojik model olarak öne çıktığını anlatır (Davis ve ark., 2002).

Yüz yıllık bilançoyu çıkaran bir başka derleme, iki yüzyıl kadar önce Fransız fırınlarını bulaşarak tanınan bu küf üzerine yapılan araştırmaların Mendel genetiğinden gen-enzim ilişkisine, sirkadiyen ritimden bitki hücre duvarının parçalanmasına uzanan bir keşif zinciri ürettiğini özetler (Roche ve ark., 2014). Aynı derleme, erken dönem çalışmalarının genetik rekombinasyon ve gen işleyişi üzerine yoğunlaştığını, sonradan ökaryot mikropların karmaşık biyolojik sorularına geçildiğini ve E. coli ile Saccharomyces cerevisiae'nin sahneye çıkmasının Neurospora araştırmalarının odağını değiştirdiğini belirtir (Roche ve ark., 2014). Bu mantarın günlük ritim araştırmalarındaki yerini mantarlarda biyolojik saat yazısında ele aldık.

Genomun sayıları

2003'te yayımlanan taslak genom, tabloyu sayılarla verdi: yaklaşık 40 megabazlık genom, yaklaşık 10.000 protein kodlayan gen içerir; bu, bölünen maya Schizosaccharomyces pombe'nin iki katından fazla ve Drosophila melanogaster'inkinden yalnız %25 kadar azdır (Galagan ve ark., 2003). Gen kümesinin analizi, kırmızı ışık fotobiyolojisiyle ilişkili olabilecek genleri, sekonder metabolizmada rol alan genleri ve kalsiyum sinyalleşmesinde bitki ve hayvanlardan önemli farkları ortaya koymuştur (Galagan ve ark., 2003).

Genomun ilginç yanı savunma tarafındaydı. Aynı çalışmaya göre Neurospora, bilinen ökaryot organizmalar arasında geniş bir genom savunma mekanizmaları dizisine sahiptir ve bunlardan biri mantarlara özgü tekrar kaynaklı nokta mutasyonu (RIP) sürecidir (Galagan ve ark., 2003). Genom analizi, RIP'in genom evrimi üzerinde belirgin bir etki bıraktığını, genomik ikilenme yoluyla yeni gen oluşumunu büyük ölçüde yavaşlattığını ve genomda birbirine yakın akraba gen oranının düşük kalmasına yol açtığını göstermiştir (Galagan ve ark., 2003). Bir mantar genomunun nasıl okunduğunu mantar genomu nasıl dizilenir yazısında anlattık.

RIP: ikilenen diziyi işaretleyen mekanizma

RIP, genomdaki ikilenmiş DNA dizilerinin eşeyli evrede saptanıp mutasyona uğratılmasıdır; gen boyutundaki ikilenmelerin her iki kopyası da ilk kuşakta yaklaşık %50-100 sıklıkla etkilenir (Cambareri ve ark., 1991). Aynı çalışma, RIP ile değişmiş dizilerin sonraki kuşaklarda da duyarlı kalmaya devam ettiğini, hatta altı kuşak sonra bile bu duyarlılığın sürdüğünü göstermiştir (Cambareri ve ark., 1991).

Süreç kendi sınırını da üretir. Etkilenen yavru oranı, ikilenmiş dizilerin birbirinden uzaklaşma derecesine bağlı olarak hızla düşmüş; RIP'e dirençli hâle gelen bir dizi klonlanıp geri verildiğinde direncin, diziler arası benzerliğin yitirilmesinden kaynaklandığı görülmüştür (Cambareri ve ark., 1991). Bu dizinin tek kopya olarak verildiğinde konakçının kendi homolog dizilerini de RIP'e sokmadığı bulunmuştur (Cambareri ve ark., 1991).

İki susturma yolu: quelling ve MSUD

Bitkilerde ko-süpresyon, mantarlarda quelling adı verilen olgu, fazladan kopya taşıyan dizilerin susturulmasıdır. N. crassa'da transgene bağlı susturmanın bozulduğu quelling-kusurlu mutantlardan yola çıkan çalışma, susturma düzeneğinin ilk hücresel bileşeni olan qde-1 genini klonlamıştır (Cogoni ve ark., 1999). Gen ürününün domateste bulunan bir RNA-bağımlı RNA polimeraza benzediği, bu gen ailesinin bitki, hayvan ve mantarları kapsayacak biçimde korunduğu ve bulgunun susturma modellerinde RNA-bağımlı RNA polimeraza biçilen rolü desteklediği bildirilmiştir (Cogoni ve ark., 1999).

İkinci yol mayozda çalışır. Mayozda eşleşmemiş kalan DNA'nın, kendisiyle homolog bütün dizileri, eşleşmiş olanlar dahil susturmasına eşleşmemiş DNA ile mayotik susturma (MSUD) denir (Shiu ve ark., 2001). Aynı çalışmada MSUD'yi gerçekleştiremeyen yarı baskın Sad-1 mutantı tanımlanmış, yabani tip alelin bir RNA-yönlendirmeli RNA polimeraz kodladığı gösterilmiş ve mekanizmanın Neurospora cinsi içinde üreme yalıtımına katkıda bulunabileceği öne sürülmüştür (Shiu ve ark., 2001). Aynı mantarda hücrelerin birbirini tanıyıp reddetmesini heterokaryon uyumsuzluğu yazısında ele alıyoruz.

Nakavt koleksiyonu ve gen işlevleri

Filamentli mantarlarda homolog rekombinasyon hızının düşüklüğü, yüksek verimli gen nakavt yöntemlerinin gelişmesini uzun süre engellemiştir (Colot ve ark., 2006). Bunu aşan çalışma, mayada rekombinasyonlu klonlama, homolog olmayan uç birleştirme onarımında kusurlu Neurospora suşları, özel yazılım araçları ve robotik birleştirerek hızlı nakavt üretimi sağlamıştır (Colot ve ark., 2006).

Yöntemin çıktısı somuttur: 103 transkripsiyon faktörü geninin silindiği suşlar üretilmiş, büyüme ile eşeyli ve eşeysiz gelişim incelendiğinde suşların %43'ünde bir fenotip görülmüş ve bunların yarısından fazlasında birden çok kusur saptanmıştır (Colot ve ark., 2006). Yazarlara göre yöntem bu mantarda %90'ın üzerinde etkinlikle çalışır ve homolog rekombinasyon sıklığı düşük başka ökaryotlara uyarlanabilir (Colot ve ark., 2006).

Doğadaki işi: bitki hücre duvarını parçalamak

Laboratuvar dışında N. crassa ölü bitki materyalinde, özellikle otsu bitkilerde bulunur (Tian ve ark., 2009). Öğütülmüş Miscanthus sapları tek karbon kaynağı olarak verildiğinde yaklaşık 770 genin ifadesi değişmiş; saf selülozda ise bu kümeyle örtüşen 114 gen belirlenmiştir (Tian ve ark., 2009).

Salgılanan proteinlerin kütle spektrometresiyle incelenmesi 50'den fazla protein tanımlamış, bunların arasında mantarın öngörülen 23 selülazından 10'u bulunmuştur (Tian ve ark., 2009). Hem mikrodizi hem kütle spektrometresi verisinde görülen 16 proteinin genleri silindiğinde bazı suşların kristal selülozda büyümesi belirgin biçimde azalmış, bazıları ise selülaz etkinliği yüksek daha fazla hücre dışı protein üretmiştir (Tian ve ark., 2009). Selülaz takımının üyelerini selülaz enzimi nedir yazısında tek tek anlattık; bu cinsin fermente gıdadaki kullanımını ise oncom yazısında bulabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Cambareri, E.B. et al. (1991). Recurrence of repeat-induced point mutation (RIP) in Neurospora crassa. Genetics, 127(4), 699-710. PMID 1827629. DOI 10.1093/genetics/127.4.699.

Cogoni, C. et al. (1999). Gene silencing in Neurospora crassa requires a protein homologous to RNA-dependent RNA polymerase. Nature, 399(6732), 166-9. PMID 10335848. DOI 10.1038/20215.

Colot, H.V. et al. (2006). A high-throughput gene knockout procedure for Neurospora reveals functions for multiple transcription factors. Proc Natl Acad Sci U S A, 103(27), 10352-10357. PMID 16801547. DOI 10.1073/pnas.0601456103.

Davis, R.H. et al. (2002). Timeline: Neurospora: a model of model microbes. Nat Rev Genet, 3(5), 397-403. PMID 11988765. DOI 10.1038/nrg797.

Galagan, J.E. et al. (2003). The genome sequence of the filamentous fungus Neurospora crassa. Nature, 422(6934), 859-68. PMID 12712197. DOI 10.1038/nature01554.

Roche, C.M. et al. (2014). Neurospora crassa: looking back and looking forward at a model microbe. Am J Bot, 101(12), 2022-35. PMID 25480699. DOI 10.3732/ajb.1400377.

Shiu, P.K. et al. (2001). Meiotic silencing by unpaired DNA. Cell, 107(7), 905-16. PMID 11779466. DOI 10.1016/s0092-8674(01)00609-2.

Tian, C. et al. (2009). Systems analysis of plant cell wall degradation by the model filamentous fungus Neurospora crassa. Proc Natl Acad Sci U S A, 106(52), 22157-62. PMID 20018766. DOI 10.1073/pnas.0906810106.

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: 8  |  Yöntem: Editöryel Politika  |  Referanslar: Bibliyografya