Мейоз у грибов

Мейоз - это деление диплоидного ядра, при котором число хромосом уменьшается от диплоидного до гаплоидного. Мейоз у грибов протекает в специализированных диплоидных клетках (базидиях, сумках) в определенные моменты жизненного цикла данного организма.
Зиготный мейоз –у большинства грибов, для которых в жизненном цикле преобладает гаплоидная фаза, две клетки/ядра сливаются с образованием зиготы/диплоидного ядра, которая делится редукционно с образованием четырех гаплоидных клеток.
Гаметный мейоз – у грибов и грибоподобных протистов, для которых в жизненном цикле преобладает диплоидная фаза, мейоз происходит при формировании гамет.

Наиболее изученные грибы относительно мейоза
Neurospora crassa, Sordaria fimicola, Saccharomyces cerevisiae, Schizosaccharomyces pombe, Aspergillus nidulans, Ascobolus immersus,
Podospora anserina, Sordaria macrospora, Schizophyllum commune и Coprinus cinereus (Coprinopsis cinerea)

Преимущества мицелиальных грибов для изучения мейоза
Короткий жизненный цикл за время которого может быть проанализировано несколько сот мейоцитов (базидии, сумки) и гамет (базидиоспоры и аскоспоры)
Четыре продукта одного мейоза находятся вместе в одной клетке (базидии или сумке)
Получена и охарактеризована большая коллекция мутантов A. nidulans, N. crassa, P. anserina,S. macrospora and C. cinereus
Опубликованы данные сиквенса геномов пяти аскомицетов (A. nidulans, Fusarium graminearum, N. crassa, Magnaporthe grisea, P. anserina) и четырех базидиомицетов (C. cinerea, Cryptococcus
neoformans, Phanerochaete chrysosporium, Ustilago maydis) к 2006 году
Маленький размер хромосом и возможности исследовать их методами трехмерной реконструкции из серии срезов, гибридизации in situ (FISH) и использование мечением GFP

Этапы формирования аскоспор

Этапы формирования базидий

Особенности профазы I мейоза
Профаза I мейоза – уникальная, протяженная стадия (3-10 часов) с активной транскрипцией
Профаза I мейоза состоит из нескольких структурно-функциональных фаз (лептотены, зиготены, пахитены, диплотены и диакинеза)
Профаза I – стадия ядерного цикла, на которой осевые структуры хромосом могут быть визуализированы даже без специального мечения и контрастирования.
На стадии профазы I происходит ряд важных сопряженных процессов, которые в конечном итоге обеспечивают мейотическую рекомбинацию и сегрегацию гомологов:
сборка осевых элементов и синаптонемных комплексов
узнавание, сближение, выравнивание и синапсис гомологов
специфическое движение хромосом, в том числе образование букета
образование хиазм и мейотическая рекомбинация

Два кроссинговера
Два кроссинговера

Число хромосом в ядрах разных видов грибов

Мейоз у Sordaria macrospora

Перед кариогамией происходит удвоение ДНК (S-фаза клеточного цикла грибов).
При мейозе S-фаза длиннее, чем при митозе.
У дрожжей показано, что двойные разрывы нитей ДНК спарены с процессом рекомбинации и если последняя блокирована, то они не образуются.

Премейотические механизмы “Checking and Cleaning”
работают перед S-фазой
Repeat-induced-point mutation (RIP) mechanism (механизм повторно индуцированных точковых мутаций). Associated with de novo methylation of cytosine residues and converts C/G base pairs to A/T pairs in the duplicated sequences of N. crassa, P. anserina,M. grisea and Leptosphaeria maculans
The methylation induced premeiotically mechanism (MIP) (механизм метилирования, индуцированный перед мейозом), found in A. immersus and C. сinereus. MIP methylates de novo all gene-sized duplications at their cytosine residues, and maintains this methylation without further requirement for the methylated sequence to remain duplicated.
Mechanisms that lead to gene/sequence losses, rather than silencing (механизм, который приводит к потере гена/последовательности). Premeiotic recombination between cis-duplicated sequences leads to deletion of the interstitial sequence in N. crassa and P. anserina

A “Checking” Mechanism that Operates
After Karyogamy
meiotic silencing by unpaired DNA (MSUD)

Стадии мейоза
Первое деление мейоза
профаза I
лептотена
зиготена
пахитена
диплотенa
диакинез

Первое деление мейоза
метафаза I
анафаза I
телофаза I

Второе деление мейоза
профаза II
метафаза II
анафаза II
телофаза II

Профаза I.
Лептотена
формирование осевых элементов, сближение гомологов

Профаза I. Зиготена
начало сборки синаптонемного комплекса в сайтах инициации синапсиса (букет)

Профаза I. Пахитена
Стадия полного синапсиса. Синаптонемные комплексы – трилинейные нуклеопротеидные структуры состоят из двух боковых элементов (каждый, в свою очередь, сложен из двух тяжей) и центрального элемента, представляющего собой область пересечения «головок» поперечных филаментов

A–C Synaptonemal complex and recombination nodules of S. macrospora.
A Pachytene synaptonemal complex.
LE indicates maternal and paternal lateral elements, andCEthe central element of the complex. The arrow points to a late recombination nodule (RN) located onthe CE.
B At zygotene, the central element (CE) initiates between converging lateral elements (LE). C The arrow points to an early recombination nodule. Note the difference in size and density,
compared to the late nodule shown in A. Bar = 100 nm
A–C Synaptonemal complex and recombination nodules of S. macrospora.
A Pachytene synaptonemal complex.
LE indicates maternal and paternal lateral elements, andCEthe central element of the complex. The arrow points to a late recombination nodule (RN) located onthe CE.
B At zygotene, the central element (CE) initiates between converging lateral elements (LE). C The arrow points to an early recombination nodule. Note the difference in size and density,
compared to the late nodule shown in A. Bar = 100 nm

Модель синаптонемного комплекса

Профаза I. Диплотена, диакинез
Десинапсис гомологов, разборка синаптонемного комплекса. В конце концов гомологи остаются скрепленными лишь в области хиазм

Мейоз у Saccharomyces cerevisiae

Мейоз у Saccharomyces cerevisiae

МЕЙОЗ II
Saccharomyces cerevisiae

Sherwood, Bennett, 2009
Sherwood, Bennett, 2009
Синхронность мейоза у дрожжей требует согласованной работы более 1000 генов\продуктов

Регуляция полового размножения у дрожжей
Phylogenetic tree of the hemiascomycetes (S. cerevisiae and sequenced Candida species)

1 стадия перед слиянием
(24 часа)
2-3 стадия лептотены после слияния перед синапсисом
4 зиготена
Мейоз у Coprinus cinereus на уровне светового микроскопа

пахитена профазы 1
ранняя
пахитена профазы 1
поздняя пахитена 1
метафаза 1
метафаза 1

Мейоз у Coprinus cinereus на уровне светового микроскопа
8 диплотена-метафаза 1
9 диакинез
10 телофаза 1
11 профаза 2
12 анафаза 2
13 телофаза 2

ТЭМ
стадия перед слиянием
стадия после слияния перед синапсисом
Мейоз у Coprinus cinereus на уровне электронного микроскопа

профаза 1
зиготена

профаза 1
пахитена

профаза 1
пахитена

метафаза 1

метафаза 1
анафаза 1

ранняя телофаза 1
поздняя телофаза 1

Мейоз у Agaricus bisporus

Профаза I мейоза четырехспорового штамма шампиньона
Профаза I мейоза четырехспорового штамма шампиньона
Лептотена
Ранняя зиготена
Зиготена
Пахитена
Пахитена
Поздняя зиготена

Запасные включения
Одним из способов метаболической регуляции является резервирование большого количества запасных веществ разного состава.
Основными резервными веществами в клетках грибов являются:
Полифосфаты
Гликоген
Липиды
Трегалоза и полиолы

Были обнаружены впервые у дрожжей в конце ХIХ века и были названы гранулами волютина и метахроматина.
Полифосфаты

Полифосфаты

Распространение полифосфатов

Окрашивание полиР толуидиновым голубым с последующей дифференциацией кислым спиртом

В работах И.С.Кулаева было показано, что в каждой органелле дрожжей и других грибов присутствует своя фракция полифосфатов, определенной длины цепи. При этом установлено, что для биосинтеза и использования высокомолекулярных полифосфатов практически в каждой органелле имеется свой набор ферментов, связывающий обмен полифосфатов в первую очередь с процессами, характерными для данной органеллы.

Например, в ядре биосинтез высокомолекулярных полифосфатов каким-то образом тесно связан с биосинтезом нуклеиновых кислот, в частности РНК.
В митохондриях биосинтез полифосфатов зависит от происходящего в этой органелле биосинтеза АТФ.
Образование полифосфатов, локализованных в клеточной оболочке дрожжей, непосредственно связано с биосинтезом одного из компонентов клеточной стенки – маннана.

Функции полифосатов
Резерв фосфора и энергии
Хелатор металлов
Буфер против защелачивания
Участие в формировании и функции клеточной оболочки
Контроль за активностью генов
Субстрат фосфорилирования глюкозы
Минимизация токсического действия тяжелых металлов
Метаболизм фосфолипидов
Регуляция рН гомеостаза, осмоадаптация и др.

Наиболее важный биологический эффект полифосфатов – коррекция в процессе роста и развития мицелия, ответ на стресс и дефицит питания

Полифосфаты при исследовании с помощью электронной микроскопии

Collema, Peltigera
Collema, Peltigera

Полифосфаты у микобионтов Collema (1,2) и Peltigera (5,6)

Гликоген Основной запасной полисахарид грибной клетки. Синтезируется в цитоплазме. На ультратонких срезах имеет вид мелких сферических гранул диаметром около 40 нм. Он представляет собой сильноразветвленный полимер α-D глюкозы, в котором глюкозные остатки основной цепи связаны
α-(1 → 4), а остатки ветвей
α-(1→ 6) связями (1:14). Гликоген в клетках может быть представлен α- и β-частицами. Последние сцеплены в цепочки. α-Гликоген встречается в группах (розетки) . Мобилизация гликогена происходит путем ферментативного гидролиза in situ или в вакуолях
Розетки гликогена в гифах шампиньона двуспорового

Запасные липиды (олеосомы)
В цитоплазме могут накапливаться триацилглицерины (в молекуле глицерина образуются эфирные связи с жирными кислотами). Олеосомы состоят из масляной капли, окруженной простой липидной мембраной, отделяющейся от гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭПР).
В соединении с фосфатами и белками они образуют фосфолипидные и фосфолипопротеидные гранулы, которые на срезах представляют собой либо гомогенные структуры, либо комплексы концентрически расположенных мембран (миелиноподобные структуры)

Формирование липидной капли у Pleurotus ostreatus

Липидные включения в споре (А) и миелиноподобная структура (Б) в мицелии шампиньона двуспорового и полифосфаты в споре вешенки легочной (В)
А
Б
В

R.Bras.Ci.Solo 2008. v.32:1531-1540
R.Bras.Ci.Solo 2008. v.32:1531-1540

Липидные капли обнаружены у большинства эукариот и некоторых прокариот LDs (lipid droplets, lipid bodies, lipid particles, oil bodies). Долгое время считали, что это относительно инертные компартменты. Полагали, что они функционируют только, как место запасания излишней энергии и накопления жирных кислот и стеролов в форме нейтральных липидов, главным образом, триацилглицеринов и стериловых эфиров. Ассоциированные с монослоями фосфолипидов и белками в центре – нейтральные липиды LDs могут быть подвергнуты гидролизу в регулируемой форме липазами. В результате возвращение запасенных не эфирных свободных жирных кислот, фосфолипидов и стеролов происходит снабжение энергией через окисление жирных кислот при нехватке питания, поддержании гомеостаза мембранных липидов во время роста клеток и модуляции уровня свободных стеролов внутри и снаружи клетки.

Функции липидных капель
резервный источник углерода,
удаление лишних белков из других компартментов для инактивации и/или запасания,
обеспечивают укладку белков, заякоренных около липидных капель,
снабжение поверхности липидных капель для последовательной деградации ошибочных и не уложенных белков, которые в противном случае могут формировать токсические агрегаты в цитоплазме,
снабжение некоторыми связанными с липидными каплями белками компартменты через перенос или контактные места.

Трегалоза
Важный запасной дисахарид в вегетативных клетках и в спорах грибов.
Трегалоза является основным противострессорным веществом, локализованным в цитоплазме и защищающим мембраны при обезвоживании.
Трегалоза защищает белки от денатурации и преципитации.
Протекторное действие трегалозы связывают с замещением молекулы воды на поверхности белков или других макромолекул и способностью к образованию структуры подобной стеклу, а не кристаллов под действием высушивания и замораживания.
Трегалоза — углевод — углевод из группы невосстанавливающих дисахаридов — углевод из группы невосстанавливающих дисахаридов. В природной трегалозе 2 остатка D-глюкозы связаны α,α-гликозидной связью.

Ранее трегалозу считали лишь одним из запасных углеводов, но по современным представлениям этому соединению присущи следующие функции:
(а) резервного углевода (б) протектора мембран при разнообразных типах стресса: тепловом, окислительном, осмотическом, действии тяжелых металлов, лекарств, метаболических ингибиторов; (в) регулятора процесса гликолиза, концентрации глюкозы и АТФ в клетке; (г) транспортируемой формы углеводов в мицелии [Thevelein, 1996; Argüelles, 2000]; (д) шапероноподобного соединения, участвующего в стабилизации и фолдинге белков [Singer, Lindquist, 1998; Sampedro, Uride, 2004]; антиоксиданта [Oku et.al., 2003].
ТРЕГАЛОЗА, ФУНКЦИИ