Die Bedeutung von Pilzen für den Menschen

Ein Grund, Pilzgenome zu sequenzieren

Eines der neuesten Schlagworte in der Genomforschung ist die „funktionelle Genomik“, bei der es sich im Wesentlichen um die Untersuchung neuartiger Genfunktionen durch direkte Manipulation des Genoms handelt. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Kenntnis der Sequenz von Hefen und anderen Organismen deutlich gemacht hat, dass wir die Funktion vieler der vorhergesagten offenen Leserahmen nicht kennen. Die Fähigkeit, das Genom einfacher Eukaryoten wie S. cerevisiae und A zu manipulieren. nidulans macht sie attraktiv, um Studien zu beginnen, die die Funktion dieser unbekannten Gene aufklären. Dies wird mit neuartigen Genen im menschlichen Genom viel schwieriger zu erreichen sein, außer in den seltenen Fällen, in denen die Natur uns Mutationen zur Verfügung gestellt hat. In ähnlicher Weise ist die funktionelle Genomik mit aktuellen Gen-Targeting-Methoden in der Maus schwierig und kostspielig, obwohl neue Technologien entwickelt werden, die diesen Ansatz schließlich haltbar machen können. Da filamentöse Pilze eine große Gruppe von Organismen darstellen, in denen viele der gleichen Werkzeuge zur Verfügung stehen, um angehende Hefegene zu untersuchen, kann es möglich sein, neuartige Genfunktionen in diesen Organismen zu bewerten. Ihre vielfältigen Lebensstile und die Komplexität ihrer zellulären Funktionen sollten eine hervorragende Ergänzung zu den Arbeiten an Knospungs- und Spalthefen darstellen.

Was macht A. nidulans zu einer geeigneten Wahl für ein Genomsequenzierungsprojekt? A. nidulans wird seit den 1950er Jahren intensiv zur Beantwortung grundlegender Fragen der Biologie eingesetzt. Die relativ einfache Genetik dieses filamentösen Pilzes wurde verwendet, um eine Vielzahl genetischer Phänomene zu untersuchen, einschließlich der Mechanismen, die den Kohlenstoff- und Stickstoffstoffwechsel, den Zellzyklus, die Funktionen des Zytoskeletts und die Entwicklung regulieren (Morris und Enos 1992; Marzluf 1993; Navarro-Bordonaba und Adams 1994; Osmani und Ye 1996). Als solches hat A. nidulans eine wichtige Rolle als eukaryotischer Modellorganismus gespielt. Wahrscheinlich wichtiger ist die Rolle, die dieser Organismus als Modellsystem für die Untersuchung von Fragen zur Biologie anderer Mitglieder der Gattung gespielt hat, die sich positiv und negativ auf den Menschen auswirken. Mitglieder der Gattung Aspergillus werden als Großproduzenten von Zitronensäure, industriellen Enzymen verwendet; Amylasen, Proteasen und Lipasen, um nur einige zu nennen, und andere der Gattung sind Krankheitserreger des Menschen oder sind für den Verderb von Lebensmitteln und die Produktion toxischer Sekundärmetaboliten wie Aflatoxin verantwortlich. Die gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen der Gattung Aspergillus auf nur die USA. die Wirtschaft wird auf ∼ $ 45 Milliarden geschätzt. Da A. nidulanshat eine wichtige Rolle für unser Verständnis dieser großen und vielfältigen Gattung gespielt und wegen der klaren wirtschaftlichen Bedeutung dieser Organismen ist es unerlässlich, dass wir ein detaillierteres Bild seines Genoms erhalten.

Frühere Aspekte des Aspergillus nidulans-Genomprojekts, die sich auf klassische Genetik stützten, stellten fest, dass sein Genom aus acht Verknüpfungsgruppen oder Chromosomen besteht. Diese Verknüpfungsgruppen wurden unter Verwendung parasexueller genetischer Methoden und mitotischer Rekombination definiert, um die Verknüpfung zwischen weit auseinander liegenden Genen auf Chromosomenarmen zu demonstrieren (Clutterbuck 1974). Diese Etablierung von acht Verknüpfungsgruppen wurde durch gepulste Feldgelelektrophorese bestätigt, die die acht Verknüpfungsgruppen in sechs Banden auflöst, von denen zwei Dubletten sind und unter Verwendung von Translokationsstämmen getrennt werden können. Diese Studien schätzten das Genom auf 31 Megabasen (Brody und Carbon 1989), in guter Übereinstimmung mit Schätzungen der Größe des Genoms unter Verwendung von Reassoziationskinetik und kolorimetrischer Bestimmung (Bainbridge 1971; Timberlake 1978). Somit ist das Genom von A. nidulans 2,5 × 107 bis 3,0 × 107 Basenpaare groß und enthält wenige repetitive DNA-Sequenzen. Die relativ geringe Größe des A. Nidulansgenoms, die begrenzte Menge an repetitiver DNA und seine Bedeutung als Modellorganismus machen es für die Sequenzierung geeignet.

In gewissem Sinne ist das gesamte Genom von A. nidulans bereits sequenziert. Zwei Cosmid-Bibliotheken mit 5134 Einzelklonen wurden vor einigen Jahren konstruiert und als Einzelklone in Mikrotiterplatten gespeichert. Diese Bibliotheken wurden später durch Hybridisierung in chromosomenspezifische Teilmengen sortiert, die schätzungsweise ∼95% jedes Chromosoms abdecken (Brody et al. 1991). Die Abbildung dieser Bibliotheken wurde noch weiter vorangetrieben. Mit Hilfe eines schnellen Zufallszahlenalgorithmus wurden die beiden Cosmid-Bibliotheken verwendet, um eine physikalische Karte des Chromosoms IV von A. nidulans zu konstruieren (Wang et al. 1994). Diese Arbeit wurde erweitert, um physikalische Karten für alle acht Chromosomen des A. nidulans-Genoms zu entwickeln. Diese Karten und die Methoden, mit denen sie abgeleitet werden, finden Sie auf der websitehttp://fungus.genetics.uga.edu:5080/. Die Verwendung dieser Methoden zum Erstellen physikalischer Karten für jedes der Chromosomen bildet die Grundlage, auf der eine groß angelegte DNA-Sequenzierung des A. nidulans-Genoms beginnen könnte. Es ist jedoch auch wichtig darauf hinzuweisen, dass diese Karten auch bei den Mitgliedern der Kommission zu Bedenken geführt haben. nidulans Gemeinschaft, weil es mehrere Fälle gibt, in denen sie nicht kolinear mit der genetischen Karte sind. Der Mangel an Kolinearität kann die schlechte Qualität der genetischen Karte widerspiegeln, die auf der Zuordnung der Reihenfolge der Gene aus drei Punktkreuzen basiert. Alternativ könnten diese Ordnungen falsch sein, da die verwendeten genetischen Marker zu weit voneinander entfernt waren, was eine ordnungsgemäße Reihenfolge verhinderte. Dies ist eindeutig ein Problem, das rechtzeitig gelöst wird, sobald die vollständige Sequenz des Genoms bekannt ist.

Warum sequenzieren wir also nicht das Genom von A. nidulans oder anderen filamentösen Pilzen? Aktuelle Sequenzierungsbemühungen richten sich auf mikrobielle Organismen, die von medizinischer Bedeutung sind, wie krankheitserregende Bakterien. Es wird angenommen, dass die Aufklärung ihrer Genomsequenz das Potenzial hat, sofortige Einblicke in neue therapeutische Strategien zu liefern. Dies ist insofern etwas bedauerlich, als wir ganze Gruppen von Organismen ignorieren, während wir versuchen festzustellen, ob die Sequenzierung des gesamten Genoms nützlich sein wird. Im weiteren Verlauf dieser Projekte müssen wir andere Gründe für die Genomsequenzierung in Betracht ziehen, einschließlich der Bedeutung der Analyse der Genfunktion nach Identifizierung offener Leserahmen durch Sequenzanalyse. Genau hier stehen die Bemühungen um das Hefegenom jetzt. Forscher stehen vor der Bestimmung neuartiger Genfunktionen, und das Gleiche gilt für jeden Organismus, für den wir die vollständige Sequenz bestimmen. Einige dieser Gene werden spezifisch für Hefe sein, andere werden Rollen in den Pilzen haben, und wieder andere werden in allen Eukaryoten funktionieren. Um zu erfahren, in welche Klasse jedes Gen fällt, ist es wichtig, Sequenzen aus zahlreichen Organismen zu erhalten. Es wird sehr bedauerlich sein, wenn Lebenswissenschaftler keine aktive Rolle bei der Auswahl der Organismen spielen, deren Genome sequenziert werden sollten. Die sorgfältige Auswahl der Organismen dürfte uns einen besseren Einblick in die Prozesse der Artbildung und Genomevolution geben. Bei Pilzen, von denen man annimmt, dass sie vor etwa einer Milliarde Jahren auseinandergegangen sind, sind diese Fragen besonders relevant.

Wir als Wissenschaftler müssen uns um ein weiteres Problem sorgen, das Genomstudien aufwerfen werden. Dieses Problem besteht darin, dass es nicht möglich ist, die Genfunktion aus einem Vergleich von Gensequenzen abzuleiten. Betrachten Sie das allgemeine Problem von Großfamilien. Die chemische Reaktion, die durch Enzyme der Familie katalysiert wird, kann die gleiche sein, aber ihre Substrate können sehr unterschiedlich sein. Aus diesem Grund kann der direkte Sequenzvergleich nur einen Anhaltspunkt für die Funktion eines Genprodukts liefern, nicht jedoch für die Substrate, auf die es einwirkt. In diesem Beispiel könnten wir also sagen, dass ein Genprodukt eine katalytische Stelle mit der anderer in der Familie teilt, aber wir können nicht sagen, auf welchem biochemischen Weg es funktioniert. Wenn wir beginnen, die Funktion neuartiger Genprodukte zu untersuchen, müssen wir bedenken, dass zwei Gene, obwohl sie für ähnliche Proteine kodieren, unterschiedlich funktionieren können oder wie im Fall von Enzymen mit ähnlichen Aktivitäten auf unterschiedlichen Wegen funktionieren können. Dies ist ein weiterer Grund, die Genfunktion in mehr als einer kleinen Anzahl von Systemen zu untersuchen. Schließlich kann ein Gen seine zelluläre Funktion in einem System leichter offenbaren als in einem anderen, weil die Biologie des Systems eine besondere Anforderung an die Funktion hat.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.