Genomik und Transkriptomik enthüllen Luciferase-Cluster in Pilzen

Pilzgenomsequenzierung umfasst mehrere Schlüsseltechniken, darunter das Scannen von Pilzgenomen, feine Kartierung und Resequenzierung. Dieser leistungsstarke Ansatz ermöglicht die Vorhersage wichtiger Gene und Proteine und erleichtert ein tieferes Verständnis ihrer Funktionen und zugrunde liegenden Mechanismen. Die Sequenzierung von Pilzgenomen hat herkömmliche Methoden ersetzt und sich als unverzichtbares Werkzeug zur Untersuchung der genetischen Mechanismen hinter der bakteriellen Evolution und wesentlichen Funktionsgenen etabliert.

Die Gattung Mykene umfasst über 600 Arten, die für ihre charakteristischen schirmförmigen Kappen bekannt sind, und ihr Lebensraum erstreckt sich über den gesamten Globus. Besonders erwähnenswert ist, Mykene Pilze zeigen ein faszinierendes Merkmal – Biolumineszenz. Von den 81 identifizierten lumineszenten Pilzarten gehören 68 zu Mykene, ein Phänomen, das das Interesse von Forschern geweckt hat. Es wurde festgestellt, dass Luciferase eine entscheidende Rolle bei der lumineszenten Fähigkeit von Pilzen spielt und unter Pilzen hochgradig konserviert ist. Dennoch bleibt der evolutionäre Ursprung der Luciferase in Pilzen und die mit der Lumineszenz verbundenen Gene im Dunkeln. In Reaktion darauf haben Forscher ein Modell entwickelt, um das Verständnis der Evolution der biolumineszenten Eigenschaften von Pilzen zu verbessern. Dies erreichten sie, indem sie hochwertige Referenzgenome für fünf Mykene Arten, vergleichend nutzend Genomik und Transkriptomik Daten.

Genomassemblierung und Annotation: Interaktionen transponierbarer Elemente und DNA-Methylierung

Nutzung ONT-Sequenzierung und Next-Generation-SequenzierungDie Forscher haben erfolgreich Genome für fünf Arten innerhalb der kompakten Pilzgattung konstruiert, MykeneDiese Genome wiesen einen Größenbereich von 50,9 bis 167,2 Megabasen auf, mit Contig N50-Werten, die von 2,2 bis 5,5 Megabasen reichten. Der Annotierungsprozess ergab insgesamt 13.940 bis 26.334 protein-codierende Gene, während die Vollständigkeit des Genoms, bewertet anhand von BUSCO-Metriken, konstant zwischen 92,1 % und 95,3 % lag. Zusammenfassend haben die Forscher fünf hochwertige Referenzgenome für die Mykene Arten.

Ähnlich wie bei anderen Pilzgenomen variiert die Größe dieser fünf ausgewählten. Mykene Genome können dem Inhalt repetitiver Sequenzen zugeschrieben werden. Bemerkenswert ist das kleinste Genom, M. Chlorophosenthielten nur 11,7% repetitive Sequenzen, während die größeren Genome, M. sanguinolenta und M. venuswiesen einen erheblichen Anteil von 35,7% bis 39% an repetitiven Sequenzen auf. Darüber hinaus zeigen diese Genome der Mykene Die Art wies typische Pilzeigenschaften auf, die durch einen niedrigen Gehalt an repetitiven Sequenzen und eine hohe Genomdichte gekennzeichnet sind.

Darüber hinaus deckte die Forschung eine interessante Beziehung zwischen der Genomgröße und den Methylierungsniveaus in M. venusEs wurde beobachtet, dass die Expansion von transponierbaren Elemente (TE) Sequenzen innerhalb der Mykene Arten, die mit einem Anstieg repetitiver Sequenzen und einem gleichzeitigen Rückgang der Methylierungsniveaus korreliert sind. Dieses Phänomen führte letztendlich zu den größeren Genomgrößen, die beobachtet wurden.

Phylogenomische Analyse von Mycena und verwandten Pilzen. (Ke et al., 2020)

Verteilung der Genommerkmale von Mycena. (Ke et al., 2020)

Die Evolution der Luciferase: Ein Schlüsselenzym, das die lumineszente Fäulnis antreibt

Phylogenetische Bäume, die durch verschiedene Methoden erstellt wurden, deuten stark darauf hin, dass der Ursprung der Luciferase bis in die späte Jurazeit, vor etwa 160 Millionen Jahren, zurückverfolgt werden kann. Eine interessante Frage ergibt sich jedoch: Warum gruppieren sich lumineszente Pilze hauptsächlich innerhalb der Gattungen Mycena und Marasmioid, während ihre nicht-lumineszenten Gegenstücke innerhalb dieser gleichen Gattungen anscheinend den wesentlichen Luciferase-Gencluster verloren haben? Diese Eigenart veranlasste die Forscher, die komplexe evolutionäre Geschichte der Luciferase näher zu untersuchen.

Die Forschungsergebnisse werfen Licht auf die Tatsache, dass die Luciferase der Vorfahrenarten innerhalb der lumineszenten Pilze, einschließlich wichtiger Gencluster wie luz, h3h, cyp450 und hisps, zusammen auf demselben Chromosom neben dem cph-Enzym angeordnet waren. Im Laufe der Zeit entwickelte sich jedoch eine unterschiedliche evolutionäre Entwicklung innerhalb der Mycena- und Marasmioid-Arten.

Bemerkenswert ist die Luciferase von lumineszenten Pilze Im Marasmioid-Klade war auf genomische Regionen beschränkt, in denen evolutionäre Veränderungen in einem langsameren Tempo stattfanden, ohne chromosomale Umstellungen. Diese Umgebung ermöglichte die Erhaltung konsistenter Luciferase-Eigenschaften innerhalb dieser Gruppe. Im Gegensatz dazu war die Luciferase innerhalb der Mykene Die lumineszenten Pilzarten unterzogen sich mehreren chromosomalen Umstrukturierungsereignissen, die durch transponierbare Elemente vermittelt wurden, was zu einer bemerkenswerten Divergenz ihrer Luciferase-Sequenzen führte.

Darüber hinaus zeigten die nicht-leuchtenden Pilze innerhalb dieser Gattungen einen vollständigen Verlust des Luciferase-Gens, was sie von ihren biolumineszenten Gegenstücken unterscheidet.

Syntenie um den Luciferase-Cluster bei biolumineszenten Pilzen. (Ke et al., 2020)

Identifizierung von Genen, die mit der Pilzlumineszenz assoziiert sind

Bei der Suche nach den Genen, die für die Pilzlumineszenz verantwortlich sind, verwendeten die Forscher einen zweifachen Ansatz zur Transkriptomanalyse. Sie führten eine differenzielle Genexpressionsanalyse an vier verschiedenen Pilzen durch, die jeweils unterschiedliche Grade von Lumineszenz aufwiesen. Darüber hinaus verglichen die Forscher die Expressionsmuster lumineszenzbezogener Gene in verschiedenen Geweben und konzentrierten sich auf Mycena kentingensis als repräsentatives Beispiel.

Die Ergebnisse zeigten insgesamt 29 unterschiedlich exprimierte Gene innerhalb der vier Pilze, darunter insbesondere die Gene luz, h3h und hisps, was ihre direkte Beteiligung am Lumineszenzprozess bestätigt. Eine Analyse des gewichteten Gen-Koexpressionsnetzwerks (WGCNA) identifizierte ebenfalls 67 ko-exprimierte Gene innerhalb von M. kentingensisDieses Set umfasste nicht nur die zuvor genannten 29 lumineszenzbezogenen Gene, sondern auch Gene, die mit der Umgestaltung der Zellwand assoziiert sind. Diese interessante Entdeckung deutet auf eine mögliche Verbindung zwischen dem Entwicklungsprozess von Pilzen, der Umgestaltung der Zellwand und der Biolumineszenz hin.

Zusammenfassend hebt diese Studie die dynamische Regulation des Luciferase-Clusters während der Pilzentwicklung hervor und zeigt unterschiedliche Ausdrucksniveaus unter verschiedenen Linien biolumineszenter Pilze. Durch eine umfassende vergleichende Genomanalyse konstruierten die Forscher ein evolutionäres Modell der Luciferase, das Einblicke in ihre Evolution über verschiedene lumineszente Pilze hinweg, die sich über mehr als 160 Millionen Jahre erstrecken, bietet. Die Transkriptomanalyse enthüllte zudem eine Fülle von Genen, die mit der Pilzlumineszenz in Verbindung stehen, und bietet neue Perspektiven für die Erforschung dieses faszinierenden Phänomens.

Expressionsanalyse zur Identifizierung von Genen, die an der Biolumineszenz beteiligt sind. (Ke et al., 2020)

Referenz:

1. Ke, Huei-Mien, et al. "Mycena-Genome klärt die Evolution der Pilz-Biolumineszenz." Sitzungsberichte der Nationalen Akademie der Wissenschaften 117,49 (2020): 31267-31277.