Neurospora crassa

Neurospora crassa é un tipo de mofo ou balor do pan da división Ascomycota. O nome do xénero significa "espora con nervios" en grego, referíndose ás características estriacións que presenta a súa espora. No seu ambiente natural N. crassa vive principalmente en rexións tropicais e subtropicais. Encontrouse vivindo sobre material vexetal despois de incendios.
Neurospora crassa utilízase como organismo modelo porque é fácil de cultivar e ten un ciclo de vida haploide que fai que a súa análise xenética sexa simple porque os caracteres recesivos se mostrarán na descendencia. A análise da súa recombinación xenética facilítase pola disposición ordenada dos produtos da meiose nas súas ascósporas. Secenciouse o seu xenoma completo, o que facilita os estudos. A primeira publicación que fala deste fungo é sobre unha infestación en panadarías francesas en 1843. Edward Tatum e George Wells Beadle utilizaron N. crassa nos seus experimentos polos cales gañaron o Premio Nobel de Fisioloxía ou Medicina de 1958. Beadle e Tatum expuxeron N. crassa a raios X, causando mutacións. Despois observaron fallos nas vías metabólicas causados por defectos enencimas específicos. Isto levounos a propoñer a hipótese "un xene, un encima", que di que cada xene codifica unha proteína específica. A hipótese foi despois máis elaborada para vías encimáticas por Norman Horowitz, que tamén traballou con Neurospora. Como dixo Norman Horowitz en 2004: "Estes experimentos fundaron a ciencia do que Beadle e Tatum chamaron 'xenética bioquímica'. Na práctica, probaron ser o punto de inicio do que se converteu na xenética molecular e de todos os desenvolvementos que seguiron a partir diso. "
Utilízase activamente en investigación en todo o mundo. É importante na dilucidación de eventos moleculares implicados en ritmos circadianos, epixenética e silenciamento de xenes, polaridade celular, fusión celular, desenvolvemento, así como moitos aspectos da bioloxía celular e bioquímica.
No número do 24 de abril de 2003 da revista Nature publicouse o xenoma de N. crassa completamente secuenciado. O xenoma ten unha lonxitude dunhas 43 megabases e comprende aproximadamente 10. 000 xenes distribuídos en 7 cromosomas na dotación haploide. Está en marcha un proxecto para producir cepas que conteñan mutantes knockout de cada xene de N. crassa. O ciclo sexual
Os corpos frutíferos sexuais (peritecios) só poden formarse cando se xuntan dous micelios de diferente tipo de apareamento (ver figura). Igual que outros ascomicetos, N. crassa ten dous tipos de apareamento que neste caso se simbolizan como A e a. Non hai diferenzas morfolóxicas evidentes entre as cepas de tipo A e a. Ambas as dúas poden formar abundantes protoperitecios, a estrutura reprodutiva feminina (ver figura). Os protoperitecios fórmanse máis rapidamente no laboratorio cando o crecemento ocorre en medio sólido sintético (ágar) cunha fonte de nitróxeno relativamente baixa. A privación de nitróxeno parece ser necesaria para a expresión de xenes implicados no desenvolvemento sexual. O protoperitecio consta dun ascogonio, unha hifa multicelular enroscada que está encerrada nunha agregación de hifas con forma de nó. Un sistema ramificado de hifas delgadas, chamado o tricóxino, esténdese desde o extremo do ascogonio proxectándose no aire alén das hifas envaiñadas. O ciclo sexual iníciase (se hai fecundación) cando unha célula (habitualmente un conidio) de tipo de apareamento oposto contacta cunha parte do tricóxino (ver figura). Despois dese contacto pode haber fusión celular que orixina un ou máis núcleos a partir da célula fecundada, e prodúcese a súa migración polo tricóxino cara ao ascogonio. Como tanto as cepas A coma as a teñen as mesmas estruturas sexuais ningunha cepa pode considerarse como exclusivamente macho ou femia. Porén, como o protoperitecio das cepas A e a funciona como receptor pode entenderse como unha estrutura femia mentres que o conidio fertilizante pode considerarse como o macho participante.
Os seguintes pasos despois da fusión de células A e a haploides, foron explicados por Fincham e Day e Wagner e Mitchell. Despois da fusión das células, a fusión dos seus núcleos posponse. En vez da fusión, un núcleo da célula fertilizante e un núcleo do ascogonio quedan asociados e empezan a dividirse sincronicamente. Os produtos destas divisións celulares (aínda en pares de tipo de apareamento distitno, é dicir, A/a) migran a numerosas hifas ascóxenas, que despois empezan a crecer fóra do ascogonio. Cada unha destas hifas ascóxenas dóbrase para formar un gancho (ou báculo) no seu extremo e o par A e a de núcleos haploides dentro do báculo divídese sincronicamente. Segidamente, fórmanse os septos para dividir o báculo en tres células. A célula central na curva do gancho contén un núcleo A e outro a (ver figura). Esta célula binuclear inicia a formación de ascos e chámase célula "inicial do asco". Posteriormente, as dúas células uninucleadas a ambos os lados da primeira célula formadora do asco fusiónanse para formar unha célula binucleada que pode crecer para formar outro báculo que pode despois formar a súa propia célula inicial do asco. Este proceso pode despois repetirse múltiples veces.
Despois da formación das células iniciais do asco, os núcleos A e a fusiónanse para formar un núcleo diploide (ver figura). Este núcleo é o único núcleo diploide de todo o ciclo de vida de N. crassa. O núcleo diploide ten 14 cromosomas formados a partir de dous núcleos haploides fusionados que tiñan cada un 7 cromosomas. A formación dos núcleos diploides vai inmediatamente seguida pola meiose. As dúas divisións secuenciais da meiose orixinan catro núcleos haploides, dous do tipo de apareamento A e dos de a. Unha división máis, esta vez mitótica, orixina catro núcleos A e catro a en cada asco. A meiose é unha parte esencial do ciclo de vida de todos os organismos que se reproducen sexualmente, e nas súas características principais, a meiose de N. crassa parece a típica da meiose xeralmente.
A medida que ocorren os eventos mencionados antes, a vaíña micelial que envolvía o ascogonio desenvólvese como a parede do peritecio, queda impregnada de melanina e vólvese negra. O peritecio maduro ten unha estrutura con forma de matraz.
Un peritecio maduro pode conter ata 300 ascos, cada un deles derivado da fusión de núcleos diploides idénticos. Normalmente, na natureza, cando madura o peritecio as ascósporas son exectadas ao aire bastante violentamente. Estas ascósporas son resistentes á calor e, no laboratorio, cómpre quentalas a 60 °C durante 30 minutos para inducir a xerminación. Para as cepas normais, todo o ciclo sexual tarda de 10 a 15 días. Nos ascos maduros que conteñen oito ascósporas, os pares de esporas adxacentes son idénticos en constitución xenética, xa que a última división é mitótica e porque as ascósporas están contidas no saco do asco que as mantén nunha orde definida, que está determinada pola dirección das segregacións nucleares durante a meiose. Como os catro produtos primarios tamén están situados nunha secuencia, o padrón de segregación de marcadores xenéticos da primeira división pode distinguirse do padrón de segregación da segunda división. Análise xenética de estrutura fina
As características anteriores de N. crassa foron moi útiles para o estudo de eventos xenéticos que ocorrían nas meioses. Os ascos maduros dun peritecio poden ser separados baixo un microscopio e as esporas poden manipularse experimentalmente. Estes estudos adoitan consistir en facer cultivos separados de ascósporas individuais resultantes dun só evento meiótico e determinar o xenotipo de cada espora. Estudos deste tipo levados a cabo en diferentes laboratorios estableceron o fenómeno da "conversión xénica" (para exemplos ver as referencias).
Como exemplo do fenómeno da conversión, consideremos cruzamentos xenéticos de dous cepas mutantes de N. crassa defectivas para o xene pan-2. Este xene é necesario para a síntese de ácido pantoténico (vitamina B5), e mutantes defectivos neste xene poden identificarse experimentalmente polos seus requirimentos de ácido pantoténico no seu medio de crecemento. As dúas mutacións pan-2 B5 e B3 están localizadas en diferentes sitios no xene pan-2, así que un cruzamento de B5 × B3 orixina recombinantes de tipo silvestre a baixa frecuencia. Unha análise de 939 ascos nos cales podían determinarse os xenotipos de todos os produtos meióticos (ascósporas) atopou 11 ascos coun padrón de segregación excepcional. Estes incluían seis ascos nos cales había un produto meiótico de tipo silvestre pero non se esperaba ningún produto do dobre mutante recíproco (B5B3). Ademais, en tres ascos a proporción de produtos meióticos era 1B5: 3B3, en vez da esperada 2: 2. Este estudo, así como numerosos estudos adicionais en N. crassa e outros fungos (revisada por Whitehouse), levaron a facer unha ampla caracterización da conversión xénica. Con este traballo quedou claro que os eventos de conversión xénica se orixinan cando un evento de recombinación molecular ocorre casualmente preto de marcadores xenéticos en estudo (por exemplo, as mutacións pan-2 no exemplo de arriba). Este tipo de estudos de conversión xénica permitiron coñecer detalles do mecanismo molecular da recombinación. Durante décadas desde as observacións orixinais de Mary Mitchell en 1955, propuxéronse unha serie de modelos moleculares da recombinación baseados tanto en datos xenéticos obtidos nos estudos de conversión xénica coma nos estudos das capacidades de reacción do ADN. A comprensión actual dos mecanismos moleculares da recombinación discútese nos artigos da Wikipedia Conversión xénica e Recombinación xenética. Comprender a recombinación é importante para varios problemas biolóxicos fundamentais, como o papel da recombinación e a reparación recombinacional no cancro (como no xene BRCA1) e a función adaptativa da meiose (ver Meiose). Función adaptativa de tipos de apareamento
O apareamento en N. crassa soamente pode ocorrer entre cepas de diferente tipo de apareamento, o que suxire que a selección natural favorece algún grao de cruzamento. En fungos multicelulares haploides, como N. crassa, a meiose ocorre no breve período do estadio diploide e é un dos seus procesos máis complexos. O estadio vexetativo multicelular haploide, aínda que fisicamente moito máis longo que o estadio diploide, caracteristicamente ten unha construción modular máis simple con pouca diferenciación. En N. crassa, as mutacións recesivas que afectan o estadio diploide do ciclo vital son bastante frecuentes en poboacións naturais. Estas mutacións, cando son homocigotas no estadio diploide, a miúdo orixinan que as esporas teñan defectos de maduración ou produzan corpos frutíferos estériles con poucas ascósporas (esporas sexuais). A maioría destas mutacións homocigotas causan unha meiose anormal (por exemplo, distorsionando o apareamento cromosómico ou alterando o paquiteno ou diploteno). O número de xenes que afectan o estadio diploide estimouse en polo menos 435 (aproximadamente o 4% do número total de 9. 730 xenes). Así, o cruzamento, promovido pola necesidade de unión de tipos de apareamento distintos, probablemente proporciona o beneficio de enmascarar as mutacións que doutro modo serían deletéreas para a formación de esporas sexuais (ver Complementación (xenética)). Investigacións actuais
Neurospora crassa non é o único organismo modelo usado para o estudo de tipos fenotípicos en variantes knockout, mais é un organismo especialmente útil utilizado en bioloxía computacional e no reloxo circadiano. Ten un ciclo reprodutivo natural de só 22 horas e está influído por factoeres externos como a luz e a temperatura. As variantes knockout de tipo silvestre de N. crassa son amplamente estudadas para determinar a influencia de xenes determinados.