Neurospora crassa es un tipo de moho rojo del pan del filo Ascomycota . El nombre del género, que significa 'espora nerviosa' en griego, se refiere a las estrías características de las esporas . El primer relato publicado sobre este hongo fue de una infestación de panaderías francesas en 1843. [1]
Neurospora crassa se utiliza como organismo modelo porque es fácil de cultivar y tiene un ciclo de vida haploide que simplifica el análisis genético, ya que los rasgos recesivos se mostrarán en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se ve facilitado por la disposición ordenada de los productos de la meiosis en las ascosporas de Neurospora . Se ha secuenciado todo su genoma de siete cromosomas. [2]
Neurospora fue utilizada por Edward Tatum y George Wells Beadle en sus experimentos por los que ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. Beadle y Tatum expusieron N. crassa a rayos X, lo que provocó mutaciones . Luego observaron fallas en las vías metabólicas causadas por errores en enzimas específicas . Esto los llevó a proponer la hipótesis de "un gen, una enzima" según la cual genes específicos codifican proteínas específicas . Su hipótesis fue posteriormente elaborada para las vías enzimáticas por Norman Horowitz , que también trabajaba en Neurospora . Como recordó Norman Horowitz en 2004, [3] "Estos experimentos fundaron la ciencia de lo que Beadle y Tatum llamaron 'genética bioquímica'. En realidad, demostraron ser el pistoletazo de salida de lo que se convirtió en genética molecular y todos los desarrollos que siguieron a partir de eso".
En la edición del 24 de abril de 2003 de la revista Nature se informó que el genoma de N. crassa había sido secuenciado por completo . [4] El genoma tiene una longitud de aproximadamente 43 megabases e incluye aproximadamente 10.000 genes. Hay un proyecto en marcha para producir cepas que contengan mutantes knockout de cada gen de N. crassa . [5]
En su entorno natural, N. crassa vive principalmente en regiones tropicales y subtropicales. [6] Se la puede encontrar creciendo sobre materia vegetal muerta después de los incendios.
La neurospora se utiliza activamente en investigaciones en todo el mundo. Es importante para dilucidar los eventos moleculares relacionados con los ritmos circadianos , la epigenética y el silenciamiento de genes , la polaridad celular , la fusión celular , el desarrollo, así como muchos aspectos de la biología y la bioquímica celular.
Los cuerpos fructíferos sexuales (peritecios) solo se pueden formar cuando se juntan dos micelios de diferente tipo de apareamiento (ver Figura). Al igual que otros Ascomycetes, N. crassa tiene dos tipos de apareamiento que, en este caso, están simbolizados por A y a . No hay una diferencia morfológica evidente entre las cepas de tipo de apareamiento A y a . Ambas pueden formar protoperitecios abundantes, la estructura reproductiva femenina (ver Figura). Los protoperitecios se forman más fácilmente en el laboratorio cuando el crecimiento ocurre en un medio sintético sólido (agar) con una fuente relativamente baja de nitrógeno. [7] La falta de nitrógeno parece ser necesaria para la expresión de genes involucrados en el desarrollo sexual. [8] El protoperitecio consiste en un ascogonio, una hifa multicelular enrollada que está encerrada en una agregación de hifas en forma de nudo. Un sistema ramificado de hifas delgadas, llamado tricogino, se extiende desde la punta del ascogonio proyectando más allá de las hifas de envoltura hacia el aire. El ciclo sexual se inicia (es decir, se produce la fecundación) cuando una célula (normalmente un conidio) de tipo de apareamiento opuesto entra en contacto con una parte del tricoginio (véase la figura). Dicho contacto puede ir seguido de una fusión celular que conduce a la migración de uno o más núcleos de la célula fecundante por el tricoginio hacia el ascogonio. Dado que tanto la cepa A como la a tienen las mismas estructuras sexuales, ninguna de las dos cepas puede considerarse exclusivamente masculina o femenina. Sin embargo, como receptor, el protoperitecio de las cepas A y a puede considerarse la estructura femenina, y el conidio fecundante puede considerarse el participante masculino.
Los pasos subsiguientes a la fusión de las células haploides A y a han sido delineados por Fincham y Day [9] y Wagner y Mitchell [10] . Después de la fusión de las células, la fusión posterior de sus núcleos se retrasa. En cambio, un núcleo de la célula fecundante y un núcleo del ascogonio se asocian y comienzan a dividirse sincrónicamente. Los productos de estas divisiones nucleares (aún en pares de diferente tipo de apareamiento, es decir, A/a ) migran a numerosas hifas ascógenas, que luego comienzan a crecer fuera del ascogonio. Cada una de estas hifas ascógenas se dobla para formar un gancho (o báculo) en su punta y la A y un par de núcleos haploides dentro del báculo se dividen sincrónicamente. A continuación, se forman septos para dividir el báculo en tres células. La célula central en la curva del gancho contiene un núcleo A y uno a (ver Figura). Esta célula binuclear inicia la formación del asco y se llama célula "inicial del asco". A continuación, las dos células uninucleadas a cada lado de la primera célula formadora de ascas se fusionan entre sí para formar una célula binucleada que puede crecer para formar otro báculo que, a su vez, puede formar su propia célula inicial de ascas. Este proceso puede repetirse varias veces.
Después de la formación de la célula inicial del asco, el núcleo A y el núcleo a se fusionan entre sí para formar un núcleo diploide (ver Figura). Este núcleo es el único núcleo diploide en todo el ciclo de vida de N. crassa . El núcleo diploide tiene 14 cromosomas formados a partir de los dos núcleos haploides fusionados que tenían 7 cromosomas cada uno. La formación del núcleo diploide es seguida inmediatamente por la meiosis . Las dos divisiones secuenciales de la meiosis conducen a cuatro núcleos haploides, dos del tipo de apareamiento A y dos del tipo de apareamiento a . Una división mitótica más conduce a cuatro núcleos A y cuatro a en cada asco. La meiosis es una parte esencial del ciclo de vida de todos los organismos que se reproducen sexualmente y, en sus características principales, la meiosis en N. crassa parece típica de la meiosis en general.
A medida que se producen los eventos anteriores, la vaina micelial que envolvía el ascogonio se desarrolla como la pared del peritecio, se impregna de melanina y se ennegrece. El peritecio maduro tiene una estructura en forma de matraz.
Un peritecio maduro puede contener hasta 300 ascos, cada uno derivado de núcleos diploides de fusión idénticos. Por lo general, en la naturaleza, cuando el peritecio madura, las ascosporas son expulsadas al aire de manera bastante violenta. Estas ascosporas son resistentes al calor y, en el laboratorio, requieren un calentamiento a 60 °C durante 30 minutos para inducir la germinación. En las cepas normales, el ciclo sexual completo dura entre 10 y 15 días. En un asco maduro que contiene ocho ascosporas, los pares de esporas adyacentes son idénticos en constitución genética, ya que la última división es mitótica y las ascosporas están contenidas en el saco del asco que las mantiene en un orden definido determinado por la dirección de las segregaciones nucleares durante la meiosis. Dado que los cuatro productos primarios también están dispuestos en secuencia, se puede distinguir un patrón de segregación de marcadores genéticos de primera división de un patrón de segregación de segunda división.
Debido a las características mencionadas anteriormente, se ha descubierto que N. crassa es muy útil para el estudio de los eventos genéticos que ocurren en las meiosis individuales. Los ascos maduros de un peritecio se pueden separar en un portaobjetos de microscopio y las esporas se pueden manipular experimentalmente. Estos estudios generalmente implican el cultivo por separado de ascosporas individuales resultantes de un solo evento meiótico y la determinación del genotipo de cada espora. Estudios de este tipo, realizados en varios laboratorios diferentes, establecieron el fenómeno de la "conversión genética" (por ejemplo, consulte las referencias [11] [12] [13] ).
Como ejemplo del fenómeno de conversión génica, considérese el cruce genético de dos cepas mutantes de N. crassa defectuosas en el gen pan-2 . Este gen es necesario para la síntesis de ácido pantoténico (vitamina B5), y los mutantes defectuosos en este gen pueden ser identificados experimentalmente por su requerimiento de ácido pantoténico en su medio de crecimiento. Las dos mutaciones pan-2 B5 y B3 están ubicadas en diferentes sitios en el gen pan-2 , de modo que un cruce de B5 ´ B3 produce recombinantes de tipo salvaje con baja frecuencia. [12] Un análisis de 939 asci en el que se pudieron determinar los genotipos de todos los productos meióticos (ascosporas) encontró 11 asci con un patrón de segregación excepcional. Estos incluyeron seis asci en los que había un producto meiótico de tipo salvaje pero ningún producto doble mutante recíproco esperado (B5B3). Además, en tres asci la proporción de productos meióticos era 1B5:3B3, en lugar de la proporción esperada de 2:2. Este estudio, así como numerosos estudios adicionales en N. crassa y otros hongos (revisados por Whitehouse [14] ), condujeron a una caracterización extensa de la conversión génica. A partir de este trabajo, quedó claro que los eventos de conversión génica surgen cuando ocurre un evento de recombinación molecular cerca de los marcadores genéticos en estudio (por ejemplo, mutaciones pan-2 en el ejemplo anterior). Por lo tanto, los estudios de conversión génica permitieron comprender los detalles del mecanismo molecular de la recombinación. A lo largo de las décadas desde las observaciones originales de Mary Mitchell en 1955, [11] se ha propuesto una secuencia de modelos moleculares de recombinación basados en datos genéticos emergentes de estudios de conversión génica y estudios de las capacidades de reacción del ADN. La comprensión actual del mecanismo molecular de la recombinación se analiza en los artículos de Wikipedia Conversión génica y Recombinación genética . Una comprensión de la recombinación es relevante para varios problemas biológicos fundamentales, como el papel de la recombinación y la reparación recombinatoria en el cáncer (ver BRCA1 ) y la función adaptativa de la meiosis (ver Meiosis ).
El hecho de que el apareamiento en N. crassa solo pueda ocurrir entre cepas de diferentes tipos de apareamiento sugiere que la selección natural favorece cierto grado de cruzamiento externo. En hongos multicelulares haploides, como N. crassa , la meiosis que ocurre en la breve etapa diploide es uno de sus procesos más complejos. Aunque físicamente es mucho más grande que la etapa diploide, la etapa vegetativa multicelular haploide tiene característicamente una construcción modular simple con poca diferenciación. En N. crassa , las mutaciones recesivas que afectan la etapa diploide del ciclo de vida son bastante frecuentes en las poblaciones naturales. [15] Estas mutaciones, cuando son homocigóticas en la etapa diploide, a menudo hacen que las esporas tengan defectos de maduración o produzcan cuerpos fructíferos estériles con pocas ascosporas (esporas sexuales). La mayoría de estas mutaciones homocigóticas causan meiosis anormal (p. ej., apareamiento cromosómico alterado o paquiteno o diploteno). [16] Se estimó que el número de genes que afectan la etapa diploide era de al menos 435 [15] (alrededor del 4% del número total de 9.730 genes). Por lo tanto, el cruzamiento externo, promovido por la necesidad de la unión de tipos de apareamiento opuestos, probablemente proporciona el beneficio de enmascarar mutaciones recesivas que de otro modo serían perjudiciales para la formación de esporas sexuales (véase Complementación (genética) ).
Neurospora crassa no es solo un organismo modelo para el estudio de tipos fenotípicos en variantes knock-out, sino un organismo particularmente útil ampliamente utilizado en biología computacional y el reloj circadiano . Tiene un ciclo reproductivo natural de 22 horas y está influenciado por factores externos como la luz y la temperatura. Las variantes knock-out del tipo salvaje N. crassa se estudian ampliamente para determinar la influencia de genes particulares ( ver Frecuencia (gen) ).
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