Циркадные ритмы грибов - Кафедра Микологии и Альгологии МГУ

Циркадные ритмы
грибов
Шнырева Алла Викторовна
Кафедра микологии и альгологии,
Московский госуниверситет имени М.В.Ломоносова
Циркадные ритмы (от лат. circa diem) позволяют живым
организмам жить и «совпадать по фазе» с регулярно
меняющимся периодом «день-ночь».
Эволюционное дерево циркадных ритмов
Красным и синим цветом отмечены организмы, у которых обнаружены
циркадные ритмы.
Как циркадные ритмы проявляются фенотипически?
Trichoderma
Monilia fructigena
Аlternaria
Botrytis
Циркадный ритм имеет приблизительно 24-часовой период,
т.е. совпадает с суточным.
Циркадный ритм должен удовлетворять нескольким
условиям:
 1/ иметь продолжительность около 24 часов;
 2/ быть отзывчивым на естественно меняющиеся в суточных
ритмах внешние стимулы, такие как свет и температура;
внешние стимулы перезапускают ритм;
 3/ иметь компенсаторный потенциал, позволяющий сохранять
константный ритм в пределах широкого варьирования условий
роста (условий внешней среды);
 4/ находиться под генетическим контролем.
Генетический контроль циркадных ритмов Neurospora crassa
Колонии нейроспоры имеют вид чередующихся колец вегетативного
мицелия и зон спороношения с периодом 21,6 часа.
Циркадный ритм в виде концентрических зон спороношения наблюдается в темноте,
при постоянном освещении цикличность нарушается.
Dong W, Tang X, Yu Y et al. PLoS One. 2008 29;3(8):3105.
6 ч сутки
18 ч сутки
48 ч сутки
3ч свет+3ч темнота
9 ч свет+9ч темнота
24ч свет+24ч темнота
Число оранжевых зон спороношения в пробирках соответствует
фактическому числу искусственных дней.
Как исследуют гены, регулирующие циркадный ритм ?
1/. Изолирование фазоспецифичных мРНК в разные часы суток
(согласно астрономическим часам):T0 (рассвет), ST12 (закат).
Из библиотеки фазоспецифичных кДНК идентифицировано 8 ccg (clock controlled genes)
генов, контролирующих циркадный ритм.
Гены ccg-1 и ccg-2 , интенсивно транскрибируемые утром, запускают конидиогенез.
Среди ccg генов оказались специфичные для конидиогенеза гены con-6 и con-10.
Ген ccg-7 участвует в образовании каротиноидов (интенсивный каротиногенез сопряжен со
спороношением).
Однако, конидиогенез и циркадный ритм регулируются разными генами и
различными путями трансдукции (передачи) сигналов.
2/. Получение мутаций, влияющих на скорость прохождения ритма, –
clock-мутантов (с испорченными часами, которые отстают или
спешат).
3/. Применение современной технологии микрочипов
(DNA microarrays).
Мутации «испорченных часов» (с нарушениями
циркадного ритма) у N.crassa
Локус frq (frequency) кодирует два белка (890 и 989 ак); белки имеют
специфические домены связывания с ДНК и являются факторами транскрипции.
Ключевой механизм циркадных часов петля обратной связи
clock-гены
Drosophila
Млекопитающие
Neurospora
per (period), tim (timeless)
mper1-3 (period homologs)
frq (frequency)
Aronson BD, Johnson KA, et al. Science 1994, 263: 1578-84.
Циркадные часы – это осцилляторная система, которая
модулирует ритмическую экспрессию большого числа
clock-генов, ccg (clock-controlled genes).
Динамика транскрипции frq генов

Транскрипция frq-мРНК очень низка при SТ0 (на рассвете), затем
растет, достигая пика при SТ2-6 .
 Затем в цитоплазме появляются FRQ-белки, максимальное
количество которых наблюдается при SТ8.
 Оба FRQ белка фосфорилируются, оброазуют гетеродимеры в
цитоплазме, затем переходят в ядро и подавляют экспрессию
собственных frq генов (регуляция конечным продуктом, или
негативная регуляция).
Ключевые гены в регуляции циркадных ритмов N. crassa:
frq (frequency), wc-1 (white collar), wc-2, vvd (vivid).
WC 1 белок является фактором транскрипции
и фоторецептором «циркадных часов»;
содержит область, гомологичную области
фоторецептора синего света у растений.
Система регуляции суточных ритмов
запускается действием света на белки WC1 (white collar-1) и WC-2 (white collar-2).
WC-1/WC-2 гетеродимер вызывает быструю
транскрипционную индукцию гена frq
(frequency).
Dunlap JC et al., 1999; Merrow M et al., 2001
Мутанты по генам wc-1 и wc-2 аритмичны и не отзывчивы на свет («слепые»).
Молекулярная модель эукариотического циркадного осциллятора
Модель
Модель циркадной
циркаднойсистемы
системы
Neurospora
.
Neurospora.
WC
-1/WC-2 гетеродимер
WC-1/WC-2
гетеродимерактивирует
активирует
экспрессию
экспрессиюгена
геначасов
часовFRQ
FRQ. .
FRQ
:
FRQбелок
белокиграет
играетдве
двероли
роли:
1/
В одной
1/В
однойрегуляторной
регуляторнойпетле
петлеон
он
действует
действуеткак
какнегативный
негативный
регулятор
-1/WC-2
регуляторWC
WC-1/WC-2
гетеродимера
.
гетеродимера.
ВВдругой
другойпетле
петлеFRQ
FRQдействует
действуеткак
как
положительный
положительныйрегулятор
регуляторсинтеза
синтеза
белка
накапливается WC
белкаWC
WC11 ((накапливается
WC11
mRNA
).
mRNA).
Положительные элементы – wc-1 и wc-2; негативный элемент – это frq.
Известные молекулярные компоненты сопряженных
процессов в циркадной системе Neurospora
Vivid (vvd) – фоторецептор флавиновой природы, реагирующий на
голубой свет. Его транскрипция регулируется светом.
VVD белок – его действие направлено на снижение активности WCC
комплекса на свету.
VVD считают негативным регулятором ответов на свет, и он
необходим для адаптации активированной светом транскрипции
генов frq и wc-1.
FRQ –основной регулятор активности WCC комплекса в
темноте и при смене день/ночь;
VVD подавляет активность WCC комплекса на свету.
Интересно ! :
Ген vvd конститутивно (постоянно) экспрессируется при постоянном освещении;
при помещении колоний гриба в темноту уровень vvd мРНК снижается, а после
продолжительного нахождения в темноте vvd транскрипты полностью
исчезают.
Регуляторная активность WCC-комплекса и FRQбелков зависит от уровня их фосфорилирования
Гиперфосфорилирование белков приводит к снижению их активности и
последующей деградации в протеосомах.
Активность WCC комплекса зависит от степени фосфорилирования белков:
гипофосфорилированная форма WCC более активна (поздней ночью и утром),
чем гиперфосфорилированный комплекс WCC.
Эта же закономерность характерна и для FRQ .
Гиперфосфорилированные белки FRQ деградируют в протеосомах, WCC
комплекс освобождается и начинается следующий циркадный ритм.
Множественные сопряженные осцилляторы Neurospora
Lee K, Loros JJ, Dunlap JC. Science 2000, 289: 107-10
Клок-гены
FWO- FRQ/WC осциллятор, реагирующий на свет; FLO – FRQ-less oscillator
(нерегулируемый FRQ белком), реагирует на температуру.
Белки-фоторецепторы аскомицетов и зигомицетов
Фототропизм Phycomyces, копротроф
реагирует на синий и
близкий к УФ спектры
мутанты не реагируют
на свет
Спорангиеносцы (до 4 см)
со спорангиями
Фоторецепторы в
царстве грибов
(по данным
секвенирования геномов)
Заключение
Синхронизация циркадных ритмов нейроспоры регулируется и
светом, и температурой.
FRQ белок является ключевым звеном в регуляции циркадных
ритмов.
WCC комплекс – фоторецептор и основной положительный
элемент регуляторной цепи.
Активность всех элементов цепи, а также продолжительность
ритмического периода, зависят от степени фосфорилирования
белков, участвующих в регуляции циркадных ритмов.
Полагают наличие других сопряженных осцилляторных
механизмов, регулируемых светом и температурой, что обеспечивает
ритмическое развитие организма.