Horisontaalsest geeniülekandest seeneriigis

Bellis Kullman

Horisontaalsest geeniülekandest seeneriigis

Bellis Kullman

KarikseenKarikseen

Sarcoscypha austriaca

Karikseene Karikseene SarcoscyphaSarcoscypha

austriacaaustriaca eos eosKarikseene Karikseene

anamorfianamorfiMolliardiomycesMolliardiomyces

coccineacoccineakoniidkoniid

KUS ON ISEND ?KUS ON ISEND ?

Kaks võimalust geeniülekandeks

1. naabrilt naabrile (HGT) “horisontaalne põlvnemine”

2. eellaselt järglasele (VGT) “vertikaalselt ”

põlvkonnast põlvkonda

HGT prokarüootidelt eukarüootidele leiti 1990 aastal. Võrreldi Isopenitsilliin N

Süntetaasi (IPNS) geenide ja 5S rRNA geenide vastavaid evolutsioonilisi distantse.

Analüüsid näitasid veenvalt, et IPNS geen oli kahel korral horisontaalselt üle kantud

bakteritelt hüüfe moodustavatele

kottseentele.

Arvatakse, et HGT ja endosümbioosil on olnud roll

valkude ja DNA mosaiiksuse tekkel.

Arvatakse, et HGT on toimunud bakterite eellaste ja eukarüootide eellaste vahel väga varasest organismide

arengust alates.

Seentele on iseloomulik suur labiilsus ja plastilisus.

Seent kui isendit on tihti raske piiritleda.

Enamasti pole ta terviklik jagamatu organism.

Ta võib sisaldada nii rekombinantsuse kui ploidsuse poolest erinevaid

tuumapopulatsioone.

Seeneriigis ilmnevaid arengusuundi

HGT → VGT

mitoosilt → sügootsele meioosile

mittesuguliselt → paraseksuaalsele → sugulisele paljunemisele

mitootilistelt rekombinatsioonidelt → ristsiirdele

haploidsetelt → dikarüoosetele → diploidsetele organismidele

s.o. üksteisele homoloogsete kromosoomikomplektide areng, mis tagab VGT

Geenide ülekandumise teed seenetel

A. Tuumagenoomide vahel

B. mtGenoomide vahel

C. Rakusiseselt mtDNA ja tuuma DNA vahel

A.Tuumagenoomide vaheline geenivahetus:

1. mitootiline geenivahetus – HGT Candida albicans - diploidses tuumas Penicillium chrysogenum- paraseksuaalses tsüklis.

2. meioos ristsiire homoloogiliste kromosoomide vahel – VHT Neurospora crassa.

1. Mitootiline geenvahetus

Mitootilised rekombinatsioonid tekivad klonaalselt paljunevas pärmi Candida albicans rakus kahe

haploidse genoomi komponentide vahel.

Sisuliselt on tegu HGT nagu bakterite konjugatsioonilgi.

Pintselhalliku Penicillium chrysogenum

paraseksuaal-tsükkel

Mittesuguliselt paljunev seen Penicillium chrysogenum. Nii hüüfis kui koniidides võib esineda palju

erinevate genotüüpidega tuumapopulatsioone.Tipmiselt kasvades seene genoom muutub.

Palju-genoomne seen?

Palju genotüüpe

Somaatiline geenisiire toimub kord 1000-200 tuumajagunemise kohta

Üks genotüüp

Kaks genotüüpi

Tuumade liitumine

Polüploidne

Populatsioonigeneetika seadused ei kehti

mittesuguliselt paljunevate haploidsete seenete puhul.

Populatsioonigeneetika seadused

ei kehti mittesuguliselt paljunevate seente puhul.

Isendi genotüübi asemel on mõttekam rääkida

tuuma genotüüpidest jatuumapopulatsioonidest.

2. Meioos ja ristsiire

Kõrgematele eukarüootsetele organismidele on iseloomulik ristsiire meioosi konjugeerunud homoloogsete

kromosoomide kromatiidiosade vahetusena - vertikaalne

geeniülekanne (VGT).

Enamus seeni on Enamus seeni on haploidsete tuumadega:haploidsete tuumadega:

dikaarüon =dikaarüon = kaks haploidset tuumakaks haploidset tuuma monokaarüon = monokaarüon = üks haploidne tuumüks haploidne tuum

Suguliselt sigivate diploidsete organismide genotüübi igas geenipaaris on

üks alleel saadud isalt, teine emalt.

SÕNASTATUNA SEENTE KOHTA:

Suguliselt sigivate dikarüootsete seente genotüübi igas tuumapaaris on

üks alleel saadud ühelt, teine teiselt eellaselt.

Suguliselt sigivate diploidsete organismide genotüübi igas geenipaaris on

üks alleel saadud isalt, teine emalt.

SÕNASTATUNA SEENTE KOHTA:

Suguliselt sigivate dikarüootsete seente genotüübi igas tuumapaaris on

üks alleel saadud ühelt, teine teiselt eellaselt.

geenipaaris

tuumapaaris

Seentel on kirjeldatud ka tunnuseid, mille lahknemine järglaskonnas toimub Mendeli

printsiipidest erinevalt.

Tuumaväline pärilikkus.

Näiteks. Leivapärmseene petite mutandid on defektsed

glükoosi metabolismi suhtes.

B. Tuumavälise pärilikkuse muutumine, mtDNA rekombinatsioonid – HGT

1. bakter → seen

2. seen → seen (eksp.) (plasmiid → mtDNA; mtDNA → mtDNA)

3. (sümbiontne v. parasiitne) seen→ taim (mtDNA → mtDNA

C. Rakusisene mtDNA ja tuuma DNA vaheline geenivahetus –HGT

Klonaalselt paljunevatel organismidel

esineb tuuma DNA ja mtDNA rekombinatsioone 1. Candida albicans

2. Sclerotinia sclerotiorum

1. Üherakulise diploidse pärmi Gandida albicans tüvede

mtGenoom ja tuumagenoomirekombinatsioonid.

Candida albicans kliinilistel tüvedel pole rekombinatsioonide teke juhuslik:

väheste eranditega vastavad mtGenoomi genotüüpidele kindlad tuumagenoomi genotüüpide klastrid.

Leiti, et tuumagenoomi muutumisele on kaasatud mtDNA muutumine. Mehhanismi ei teata.

Sellised retikulaarsed rekombinatsioonid võivad olla liigile adaptiivselt kasulikud ja omada olulist tähtsust

tänapäevaste kliiniliste, HIV viirust kandvatel patsientidel elutseva C. albicans populatsioonide evolutsioonis.

2. Sclerotinia sclerotiorum tüvede mtDNA polümorfism

Mitokondri ja tuuma vaheline HGT ja mitokondri eubakteriaalne päritolu

Mitokondrid arvatakse olevat tekkinud endosümbioosi teel eukarüoodi rakku

sattunud prokarüootsetest organismidest. Mitokondritel on säilunud oma genoom, mis

on evolutsiooni käigus küll tunduvalt lihtsustunud, kuid sisaldab spetsiifilisi geene

oksüdatiivseks metabolismiks (ATP süntees).

Nii DNA kui ka RNA polümeraasid, samuti osa tRNA-sid ja enamus ribosoomivalke on

kodeeritud rakutuumas asuvate geenide poolt.

Evolutsiooni käigus toimus geneetilise materjali segunemine erinevate genoomide

vahel.

 

Seente mtDNA on võrreldes loomade mtDNA-ga suurem.

Erinevalt loomade sisaldab ta introneid.

Dikarüofaas ja algeline sügootne meioos (VGT)

1. Trametes versicolor - tuumade rändamine vegetatiivses hüüfis,

heterokarüootne hüüf.

2. Austerservik –meioosis genoomi

suuruse lahknemine 1:1 (dimorfism).

Trametes versicolor

Kahe omavahel sobiva kandseene monokarüootse hüüfi liitumine. Tuumade vastastikune sisseränne.

Mitokondrid jäävad statsionaarseks

• Heterokarüootne hüüf - s.o. hüüf kahe erineva tuuma-populatsiooniga

• Seen kui kimäär

• Mosaiikrakk

Trametes versicolorTrametes versicolor

2. Algeline meioos:liituvate tuumade ebavõrdsus--aneuploidsus ja kromosoomi

pikkuse polümorfism.

Pleurotus ostreatus

Kandseene viljakeha eriploidsed tuumapopulatsioonid

• Lahknemine eosproovi A tuumade DNA-sisalduses peegeldab seene hübriidse genoomi saatust meioosi käigus.

• Erinevus eosproovi kahe alampopulatsiooni vahel on 4.9 Mb / 20%.

• Ühe viljakeha eosed on aneuploidsed, dimorfsed.

Kahe austerserviku (A ja B) eosproovid.DNA sisaldus

AA

AA

BB

BB

A+BA+B

Kui meioosi tulemusel avaldub genoomi suuruste dimorfism, siis tõenäoselt olid sügoodis nende kromosoomid ainult

vähesel määral konjugeerunud.

Kas midagi sarnast nagu bakterite konjugatsioonil?

HGT → VGT

Bakteritel - geeniülekanne konjugatsioonil - HGT.

Seentel - tuumagenoomis HGT ja VGT, mtGenoomi klonaalne paljunemine ja HGT.

Imetajatel - tuumagenoomis VGT, mtGenoomi klonaalne paljunemine.

Mõningaid bakteri ja seeneraku genoomide

sarnasusi:

1. Enamasti sisaldavad nad ekstrakromosomaalseid DNA elemente e.

plasmiide, mis on DNA rõngasmolekulid,

harva lineaarsed DNA fragmendid.

2. Genotüüp on valdavalt haploidne bakteri rakus ja seenrakus

(mtGenoom ja hüüfi tuumad).

Haploidsus annab nende genoomile suure plastilisuse.

Iga mutatsioon bakteris või seene hüüfi tipurakus, mis juhuslikult suvalises genoomi piirkonnas tekib,

satub koheselt loodusliku valiku alla.

3. Geneetilise informatsiooni vahetuseks bakterite/mtGenoomi vahel on vaja, et DNA lõik ühe

bakteri/mitokondri kromosoomist satuks teise bakterirakku/mitokondrisse kus doonori DNA fragment

integreerub retsipiendi kromosoomi.

Mõnikord toimub rekombinatsioon ka bakterikromosoomi/mtDNA ja plasmiid vahel.

Geneetilise informatsiooni

ülekandumiseks ühest bakterirakust

(seenerakust?) teise on 3 võimalust:

1. Transformatsioon – doonori DNA molekul satub

retsipientrakku väliskeskkonnast

(vatsas: bakter – seen).

Näide: Seenel Orpinomyces joyonii tselluloosi lagundamisel tähtsat rolli omav geen (celA) on pärit

bakterilt Fibrobacter succinogenes.

See võimaldab seenel elada uues toitekeskkonnas,

herbivoorsete imetajate vatsas.

2. Transduktsioon – bakteri DNA kandub ühest

rakust teise bakteriofaagide abil

(ühe seene plasmiid – teise seene mtDNAsse).

3. Konjugatsioon eeldab rakkudevahelist kontakti.

Bakteri DNA vahetu ülekanne doonorist retsipienti

(ühe seene mtDNAst –

teise seene mtDNAsse; seene mtDNAst - taime mtDNAsse).

Bakteril Escherichia coli on leitud

konjugatsiooni protsessis toimiv integraalne DNAd siduv valk TrwB.

Arvatakse, et sellel valgul võib olla roll geeni ülekandmisel ka

bakterilt taimele ning bakterilt seenele.

Seega, geneetilise informatsiooni ülekandumine bakterirakkudes ja seente mitokondrites võib toimuda samal viisil.

See toetab hüpoteesi mitokondrite eubakteriaalsest päritolust ja näitab

seeneraku mitokondri suuremat iseseisvust kui teistel eukarüootidel.

Pärm Saccharomyce cerevisiae oli esimene eukarüootne organism,

mille genoom sekveneeriti. Genoomi järjestus avaldati 1996. 

Põhiline erinevus pärmi ja bakterite geenide vahel seisneb selles, et pärmigeenidel

esineb geneetiline redundantsus.

Geenid ja muud DNA järjestused esinevad mitmete peaaegu identsete koopiatena.

Selline järjestuste kordistumine on

toormaterjaliks evolutsioonile.

  Geneetiline redundantsus on iseloomulik kõigile eukarüootsetele genoomidele ja see

on üks põhilisi omadusi, mille poolest eukarüootne genoom erineb

prokarüootsest. 

Transponeeruvad geneetilised elemendid

Geneetiline rekombinatsioon DNA homoloogia puudumisel.

Sellises protsessis osalevad mobiilsed DNA elemendid –

transposoonid.

Retroviiruse-laadne element Ty on leitud leivapärmseenel ja Neurospora liikidel.

Ta kodeerib pöördtranskriptaasi, mis sünteesib Ty elemendi RNA-lt DNA molekuli.

DNA molekul insertseerub genoomi, tekitades sel

viisil Ty elemendi koopia genoomi teises piirkonnas.

Võrreldes erinevate seente mtDNA järjestusi, on jälgitav kodeerivate

järjestuste asendumine mittekodeerivatega kuni nende

kadumiseni.

Seentele on omane suur plastilisus, võime säilida ja säilitada reproduktsiooni

käigus tekkinud vigu.

Seenel on avatud paljunemissüsteem (puudub embrüonaalne areng,

kudedeks diferentseerumine).

Kott- ja kandseene eosed idanevad. Eosest kasvavale isendile on iseloomulik

hüüfi tipmine kasv. Põhimõtteliselt võiks üks isend, tema mütseel,

lakkamatult edasi kasvada ja levida - olla igavene.

Ja nii ta läheb…. Külgharude tekkemehhanismi

ei teata.

Tipurakus tekkivad mitteletaalsed mutatsioonid kantakse edasi järglastesse.

Külgharudes võib säilida

esialgne genoom.

seene keha moodustab kasvav mütseel

Külmaseen Armillaria gallica

(puidumädaniku tekitaja)

Üks isend kasvab 900 hektaril,

vanus 2500 aastat.

Klonaalselt paljunevatel seentel esineb nii tuumagenoomis kui mitokondriaalses genoomis

rekombinatsioone.

Põhimõtteliselt on selliselt kasvav isend igavene koos

oma vigade ja erinevate tuumapopulatsioonidega.

Armillaria gallica viljakeha

on ainult eoste produtseerimiseks

Sugulise paljunemise, meioosi, tulemusel lahknevad

vana ja uus tunnus haploidsetes organismides vahekorras 1:1 (dimorfism).

Seente tuumade jagunemisviiside ebastabiilsus ja mitmekesisus võib olla põhjuseks, miks nii mõnelgi

juhul pärilikkuse ‘võrku’ on ‘puust’ üpriski raske eristada.

Seeneriigis leidub tõenäoselt veel ‘kasvavaid puid’ kelle okste vahele‘punutakse võrku’.

Siiani on üles leitud ca 100000 seeneliiki, mis on vaid 5-10% arvatavalt olemasolevatest

seeneliikidest.

Jätkub otsimiseks nii puid kui võrke.

Lõpuks tuleb rõhutada, et need haruldased juhtumid, millal rolli mängib HGT, on olnud võimalik välja selgitada genealoogilise

pärilikkuse taustal, tänu valitsevale vertikaalse

geeniülekande paradigmale.

PS. Pakun välja töö idee: Ühe haploidse ühetuumalise eose puhaskultuuris (iseviljastumisel) kasvanud viljakeha eostest (meiospoorid) kasvatatud kloonide tuuma- ja mitokondriaalse

DNA sekventside võrdlemine võiks anda konkreetseid andmeid horisontaalse geeniülekande kohta tuuma ja

mitokondriaalse genoomi vahel.

Kiire positiivne tulemus pole garanteeritud.

Vaata ka http://www.zbi.ee/bellis/tudeng/