Mantarlarda Sekonder Metabolit Gen Kümeleri

Bir küfün bir toksini nasıl ürettiğini merak ettiğinizde cevabı genomun rastgele yerlerine dağılmış genlerde değil, çoğu zaman tek bir bölgede bulursunuz. 1996'da Aspergillus nidulans genomunda incelenen 60 kilobazlık bir bölge, sterigmatosistin sentezi için gereken genlerin çoğunu, belki de tamamını barındırıyordu; bölgedeki 25 transkript yalnız sterigmatosistin üretilen koşullarda birlikte açılıyordu (Brown ve ark., 1996). Mantar biyolojisinde biyosentetik gen kümesi dendiğinde kastedilen düzen budur: aynı molekülün yapımında çalışan genler genomda yan yana durur.

İkincil metabolizma neden "ikincil"?

Birincil metabolizma büyüme için gereken şeker, amino asit ve yağ asidi yollarını kapsar. İkincil metabolitler ise hücrenin hayatta kalması için her koşulda gerekmeyen, ama rekabette ve gelişimde görev alan küçük moleküllerdir (Keller, 2019). Güncel bir derleme, mantar ikincil metabolitlerinin ekolojik rollerini savaş, savunma ve gelişim başlıkları altında toplar ve tek bir ipliksi mantar genomundaki biyosentetik gen kümesi sayısının bu kimyasal zenginliğin büyük ölçüde keşfedilmemiş olduğuna işaret ettiğini belirtir (Keller, 2019).

Gıdadaki küflerin ürettiği toksinlere genel bir bakış için küf nedir yazısına, bir bitki hormonunun mantardaki üretimine örnek olarak da giberellin nedir yazısına bakabilirsiniz.

Bir kümenin anatomisi

Sterigmatosistin kümesinde bulunan genlerin ürünleri, bir kümenin tipik iş bölümünü gösterir. Dizi benzerliğine göre bu bölgede bir poliketit sentaz, iki alt birimli bir yağ asidi sentazı, beş monooksijenaz, dört dehidrojenaz, bir esteraz, bir O-metiltransferaz, bir redüktaz, bir oksidaz ve çinko kümeli bir DNA bağlayıcı protein kodlanır (Brown ve ark., 1996).

Omurga enziminin türüne göre kümeler farklı sınıflara ayrılır. Poliketit sentazlarının kurduğu moleküller için poliketit nedir, amino asitleri ribozom kullanmadan birleştiren enzimler için nonribozomal peptit nedir yazılarına bakabilirsiniz.

Kümeleri toptan açan anahtar: LaeA

Her kümenin kendi düzenleyicisi olsa da üst düzey bir kontrol katmanı da vardır. Aspergillus türlerinde tanımlanan çekirdek proteini LaeA'nın geninin silinmesi sterigmatosistin, penisilin ve lovastatin kümeleri dahil birçok metabolik gen kümesinin ifadesini durdurmuş, genin aşırı ifadesi ise penisilin ve lovastatin genlerinin transkripsiyonunu ve ürün oluşumunu artırmıştır (Bok ve ark., 2004).

Aynı çalışmada LaeA'yı kaybeden suşların spor üretiminin yabani tipe göre pek değişmediği görülmüş; yazarlar LaeA'nın başlıca görevinin metabolik gen kümelerini düzenlemek olduğu sonucuna varmıştır (Bok ve ark., 2004). Bir kümenin tek bir proteinle toptan susturulabilmesi, genlerin yan yana durmasının düzenleme açısından da anlamlı olduğunu düşündürür.

Sessiz kümeler ve genom madenciliği

Genom dizilendikçe şaşırtıcı bir tablo ortaya çıktı: tahmin edilen biyosentez genlerinin sayısı, standart fermantasyon koşullarında görülen metabolit profiline yansımıyordu (Bergmann ve ark., 2007). Tetikleyicisi bilinmeyen bu kümelere sessiz ya da gizli küme denir. A. nidulans'ta sessiz bir yolun yapay olarak uyarılması, daha önce bilinmeyen poliketit-nonribozomal peptit melezi moleküllerin keşfine yol açmıştır (Bergmann ve ark., 2007).

Kümeleri bilgisayarda bulmak için geliştirilen antiSMASH aracı arkeler, bakteriler ve mantarlarda biyosentetik gen kümesi saptamak için yaygın kullanılan bir araçtır; 7. sürümde desteklenen küme türü sayısı 71'den 81'e çıkarılmıştır (Blin ve ark., 2023).

Bin genomluk bir atlas

Ölçek büyüdüğünde örüntüler de görünür hâle gelir. Mantar âleminin farklı kollarından 1.037 genomu tarayan bir çalışmada 36.399 biyosentetik gen kümesi tahmin edilmiş, bunlar 12.067 gen kümesi ailesinde toplanmış ve 2.026 küme için olası molekül iskeleti atanabilmiştir (Robey ve ark., 2021). Aynı çalışmaya göre mantarlardaki küme aileleri büyük ölçüde türe özgüdür ve mantarlar ile bakteriler kimyasal açıdan birbirinden belirgin biçimde farklı iki kaynak oluşturur (Robey ve ark., 2021).

Kümelerin bir kısmı türden türe de geçebilir; bu konuyu mantarlarda yatay gen transferi yazısında ayrıca işliyoruz.

Genler neden yan yana durur?

Bu sorunun tek bir cevabı yok, ama evrimsel veriler ipuçları veriyor. 208 mantar genomundaki metabolizma genlerini inceleyen çalışmada gen duplikasyonunun da yatay gen aktarımının da kümelenmiş genlerde kümelenmemiş olanlara göre daha belirgin etki bıraktığı bulunmuş; yazarlar metabolik gen kümelerini mantar metabolik çeşitliliğinin sıcak noktaları olarak yorumlamıştır (Wisecaver ve ark., 2014).

Kümelenmenin bir sonucu da taşınabilirliktir. 23 genlik sterigmatosistin kümesinin Aspergillus'tan Podospora anserina'ya bütün hâlinde geçtiğini gösteren çalışma, bilinen büyük metabolik kümelerden birinin türler arasında bozulmadan taşınabildiğini ortaya koymuştur (Slot ve ark., 2011). Mantar kaynaklı bir molekül ailesinin tarihine örnek olarak monacolin K ve kırmızı maya pirinci yazısına göz atabilirsiniz.

Bilimsel referanslar

Bergmann, S. et al. (2007). Genomics-driven discovery of PKS-NRPS hybrid metabolites from Aspergillus nidulans. Nat Chem Biol, 3(4), 213-7. PMID 17369821. DOI 10.1038/nchembio869.

Blin, K. et al. (2023). antiSMASH 7.0: new and improved predictions for detection, regulation, chemical structures and visualisation. Nucleic Acids Res, 51(W1), W46-W50. PMID 37140036. DOI 10.1093/nar/gkad344.

Bok, J.W. et al. (2004). LaeA, a regulator of secondary metabolism in Aspergillus spp. Eukaryot Cell, 3(2), 527-35. PMID 15075281. DOI 10.1128/EC.3.2.527-535.2004.

Brown, D.W. et al. (1996). Twenty-five coregulated transcripts define a sterigmatocystin gene cluster in Aspergillus nidulans. Proc Natl Acad Sci U S A, 93(4), 1418-22. PMID 8643646. DOI 10.1073/pnas.93.4.1418.

Keller, N.P. (2019). Fungal secondary metabolism: regulation, function and drug discovery. Nat Rev Microbiol, 17(3), 167-180. PMID 30531948. DOI 10.1038/s41579-018-0121-1.

Robey, M.T. et al. (2021). An interpreted atlas of biosynthetic gene clusters from 1,000 fungal genomes. Proc Natl Acad Sci U S A, 118(19), e2020230118. PMID 33941694. DOI 10.1073/pnas.2020230118.

Slot, J.C. et al. (2011). Horizontal transfer of a large and highly toxic secondary metabolic gene cluster between fungi. Curr Biol, 21(2), 134-9. PMID 21194949. DOI 10.1016/j.cub.2010.12.020.

Wisecaver, J.H. et al. (2014). The evolution of fungal metabolic pathways. PLoS Genet, 10(12), e1004816. PMID 25474404. DOI 10.1371/journal.pgen.1004816.

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