L’importanza dei funghi per l’uomo

Un motivo per sequenziare genomi fungini

Una delle ultime parole d’ordine nella ricerca sul genoma è “genomica funzionale”, che è essenzialmente lo studio della nuova funzione genica attraverso la manipolazione diretta del genoma. La ragione principale per farlo è che conoscere la sequenza di lievito e altri organismi ha chiarito che non conosciamo la funzione di molti dei frame di lettura aperti previsti. La capacità di manipolare il genoma di eucarioti semplici come S. cerevisiae e A. nidulans li rende attraenti per iniziare studi che chiariranno la funzione di questi geni sconosciuti. Questo sarà molto più difficile da realizzare con nuovi geni nel genoma umano, tranne in quei rari casi in cui la natura ci ha fornito mutazioni. Allo stesso modo, la genomica funzionale che utilizza gli attuali metodi di targeting genico nel topo è difficile e costosa, sebbene siano in fase di sviluppo nuove tecnologie che potrebbero rendere questo approccio sostenibile. Poiché i funghi filamentosi rappresentano un vasto gruppo di organismi in cui possono essere applicati molti degli stessi strumenti disponibili per studiare i geni del lievito in erba, sarà possibile valutare nuove funzioni geniche in questi organismi. I loro vari stili di vita e la complessità delle loro funzioni cellulari dovrebbero fornire un eccellente complemento al lavoro in corso nei lieviti in erba e di fissione.

Che cosa rende A. nidulans una scelta appropriata per un progetto di sequenziamento del genoma? A. nidulans è stato ampiamente utilizzato per affrontare le questioni fondamentali della biologia dal 1950. La genetica relativamente semplice di questo fungo filamentoso è stata utilizzata per studiare una varietà di fenomeni genetici tra cui i meccanismi che regolano il metabolismo del carbonio e dell’azoto, il ciclo cellulare, le funzioni citoscheletriche e lo sviluppo (Morris e Enos 1992; Marzluf 1993;Navarro-Bordonaba e Adams 1994; Osmani e Ye 1996). Come tale, A. nidulans ha svolto un ruolo importante come organismo modello eucariotico. Probabilmente più importante è il ruolo che questo organismo ha svolto come sistema modello per l’indagine di domande riguardanti la biologia di altri membri del genere che hanno un impatto positivo e negativo sull’uomo. I membri del genere Aspergillus sono usati come produttori su larga scala di acido citrico, enzimi industriali; amilasi, proteasi e lipasi, per citarne alcuni, e altri del genere sono agenti patogeni dell’uomo o sono responsabili del deterioramento alimentare e della produzione di metaboliti secondari tossici come l’aflatossina. L’impatto economico totale del genere Aspergillus solo negli Stati Uniti. l’economia è stimata a billion 45 miliardi. Poiché A. nidulanshas ha svolto un ruolo importante nella nostra comprensione di questo genere ampio e diversificato e, a causa della chiara importanza economica di questi organismi, è imperativo ottenere un quadro più dettagliato del suo genoma.

Aspetti precedenti del progetto genoma Aspergillus nidulans basandosi sulla genetica classica stabilito che il suo genoma è costituito da otto gruppi di legame o cromosomi. Questi gruppi di legame sono stati definiti utilizzando metodi genetici parasessuali e ricombinazione mitotica per dimostrare il legame tra geni ampiamente distanziati sui bracci cromosomici (Clutterbuck 1974). Questa creazione di otto gruppi di legame è stata confermata utilizzando elettroforesi su gel a campo pulsato, che risolve gli otto gruppi di legame in sei bande, due delle quali sono doppietti e possono essere separati utilizzando ceppi di traslocazione. Questi studi hanno stimato il genoma a 31 megabasi (Brody e Carbon 1989), in buon accordo con le stime della dimensione del genoma usando la cinetica di riassociazione e la determinazione colorimetrica (Bainbridge 1971; Timberlake 1978). Pertanto, il genoma di A. nidulans è di 2,5 × 107 a 3,0 × 107 coppie di basi e contiene poche sequenze di DNA ripetitive. Le dimensioni relativamente piccole dell’A. nidulansgenome, la quantità limitata di DNA ripetitivo e la sua importanza come organismo modello lo rendono adatto per il sequenziamento.

In un certo senso, l’intero genoma di A. nidulans è già sequenziato. Due librerie cosmide contenenti 5134 singoli cloni sono state costruite diversi anni fa e memorizzate come singoli cloni in lastre di microtitolazione. Queste librerie sono state successivamente ordinate per ibridazione in sottoinsiemi cromosomici specifici che si stima coprano ∼il 95% di ciascun cromosoma (Brody et al. 1991). La mappatura di queste biblioteche è stata portata ancora oltre. Utilizzando un metodo veloce algoritmo costo casuale le due librerie cosmid sono stati utilizzati per costruire una mappa fisica del cromosoma IV di A. nidulans (Wang et al. 1994). Questo lavoro è stato esteso per sviluppare mappe fisiche per tutti e otto i cromosomi del genoma di A. nidulans. Queste mappe e i metodi utilizzati per derivarli possono essere trovati sul sitohttp:/ / fungus.genetics.uga.edu: 5080/. L’utilizzo di questi metodi per costruire mappe fisiche per ciascuno dei cromosomi fornisce le basi su cui potrebbe iniziare il sequenziamento del DNA su larga scala del genoma di A. nidulans. Tuttavia, è anche importante sottolineare che queste mappe hanno anche suscitato qualche preoccupazione da parte dei membri di theA. nidulans comunità perché ci sono diversi casi in cui non sono colineari con la mappa genetica. La mancanza di colinearità può riflettere la scarsa qualità della mappa genetica, che si basa sull’assegnazione dell’ordine dei geni da tre punti di croci. In alternativa, questi ordini potrebbero essere errati perché i marcatori genetici utilizzati erano troppo distanti, impedendo un corretto ordinamento. Chiaramente questo è un problema che verrà risolto nel tempo, una volta che la sequenza completa del genoma è noto.

Allora perché non stiamo sequenziando il genoma di A. nidulans o altri funghi filamentosi? Gli attuali sforzi di sequenziamento sono diretti a organismi microbici di importanza medica, come i batteri che causano malattie. Si ritiene che la delucidazione della loro sequenza genomica abbia il potenziale per produrre intuizioni immediate in nuove strategie terapeutiche. Questo è un po ‘ sfortunato in quanto stiamo ignorando interi gruppi di organismi mentre stiamo cercando di determinare se il sequenziamento dell’intero genoma sarà utile. Mentre questi progetti procedono, dobbiamo considerare altre motivazioni per il sequenziamento del genoma, compresa l’importanza di essere in grado di analizzare la funzione genica dopo l’identificazione di fotogrammi di lettura aperti mediante analisi di sequenza. Questo è esattamente dove lo sforzo genoma lievito si trova ora. I ricercatori si trovano di fronte a determinare nuove funzioni geniche, e lo stesso sarà vero per qualsiasi organismo per il quale determiniamo la sequenza completa. Alcuni di questi geni saranno specifici del lievito, altri avranno ruoli in tutti i funghi e altri ancora funzioneranno in tutti gli eucarioti. Per imparare quale classe ogni gene rientra in esso sarà importante ottenere sequenze da numerosi organismi. Sarà molto spiacevole se gli scienziati della vita non assumeranno un ruolo attivo nella scelta di quegli organismi i cui genomi dovrebbero essere sequenziati. È probabile che l’attenta selezione degli organismi ci dia maggiori informazioni sui processi di speciazione e sull’evoluzione del genoma. Nel caso dei funghi, che si presume siano divergenti circa un miliardo di anni fa, queste domande sono particolarmente rilevanti.

Noi come scienziati dobbiamo essere preoccupati per un altro problema che gli studi sul genoma solleveranno. Questo problema è che non è possibile derivare la funzione genica da un confronto di sequenze geniche. Considera il problema generale delle grandi famiglie di enzimi. La reazione chimica catalizzata dagli enzimi della famiglia può essere la stessa, ma i loro substrati possono essere molto diversi. Per questo motivo, il confronto diretto delle sequenze può fornire una guida solo alla funzione di un prodotto genetico, ma non ai substrati su cui agisce. Quindi, in questo esempio potremmo dire che un prodotto genetico condivide un sito catalitico con quello di altri membri della famiglia, ma non possiamo dire in quale percorso biochimico funzioni. Mentre iniziamo a studiare la funzione di nuovi prodotti genici, dobbiamo tenere presente che sebbene due geni codifichino proteine simili, possono funzionare in modo diverso, o come nel caso di enzimi con attività simili, possono funzionare in percorsi diversi. Questo fornisce un altro motivo per studiare la funzione genica in più di un piccolo numero di sistemi. Infine, un gene può rivelare la sua funzione cellulare più facilmente in un sistema che in un altro perché la biologia del sistema ha un requisito speciale per la funzione.

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