Neurospora crassa

Neurospora crassa es un tipo de moho rojo del pan perteneciente al filo Ascomycota . El nombre del género, que significa "espora nerviosa" en griego, hace referencia a las características estrías de las esporas . El primer registro publicado de este hongo data de 1843, cuando se produjo una infestación en panaderías francesas. ^{[ 1 ]}

Neurospora crassa se utiliza como organismo modelo debido a su fácil cultivo y a su ciclo de vida haploide , lo que simplifica el análisis genético , ya que los rasgos recesivos se manifiestan en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se ve facilitado por la disposición ordenada de los productos de la meiosis en las ascosporas de Neurospora . Se ha secuenciado su genoma completo , compuesto por siete cromosomas. ^{[ 2 ]}

Edward Tatum y George Wells Beadle utilizaron Neurospora en sus experimentos, por los que ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. Beadle y Tatum expusieron N.  crassa a rayos X, provocando mutaciones . Observaron entonces fallos en las vías metabólicas causados ​​por errores en enzimas específicas . Esto les llevó a proponer la hipótesis de "un gen, una enzima", según la cual genes específicos codifican proteínas específicas . Esta hipótesis fue posteriormente desarrollada para las vías enzimáticas por Norman Horowitz , quien también trabajaba con Neurospora . Como recordó Norman Horowitz en 2004, ^{[ 3 ]} "Estos experimentos sentaron las bases de lo que Beadle y Tatum denominaron 'genética bioquímica'. En realidad, fueron el punto de partida de lo que se convertiría en la genética molecular y todos los desarrollos que se han derivado de ella".

En la edición del 24 de abril de 2003 de Nature , se informó que el genoma de N.  crassa había sido secuenciado por completo . ^{[ 4 ]} El genoma tiene aproximadamente 43 megabases de longitud e incluye alrededor de 10 000 genes. Existe un proyecto en marcha para producir cepas que contengan mutantes con inactivación de todos los genes de N.  crassa . ^{[ 5 ]}

En su entorno natural, N.  crassa vive principalmente en regiones tropicales y subtropicales. ^{[ 6 ]} Se puede encontrar creciendo sobre materia vegetal muerta después de incendios.

Neurospora se utiliza activamente en investigaciones a nivel mundial. Es importante para dilucidar los eventos moleculares involucrados en los ritmos circadianos , la epigenética y el silenciamiento génico , la polaridad celular , la fusión celular , el desarrollo, así como muchos aspectos de la biología y la bioquímica celular.

Los cuerpos fructíferos sexuales (peritecios) solo pueden formarse cuando dos micelios de diferente tipo de apareamiento se unen (ver figura). Al igual que otros ascomicetos, N.  crassa tiene dos tipos de apareamiento que, en este caso, están simbolizados por A y a . No hay una diferencia morfológica evidente entre las cepas de tipo de apareamiento A y a . Ambas pueden formar protoperitecios abundantes, la estructura reproductiva femenina (ver figura). Los protoperitecios se forman más fácilmente en el laboratorio cuando el crecimiento ocurre en un medio sintético sólido (agar) con una fuente relativamente baja de nitrógeno. ^{[ 7 ]} La privación de nitrógeno parece ser necesaria para la expresión de los genes involucrados en el desarrollo sexual. ^{[ 8 ]} El protoperitecio consta de un ascogonio, una hifa multicelular enrollada que está encerrada en una agregación de hifas en forma de nudo. Un sistema ramificado de hifas delgadas, llamado tricogino, se extiende desde la punta del ascogonio proyectándose más allá de las hifas de envoltura hacia el aire. El ciclo sexual se inicia (es decir, se produce la fecundación) cuando una célula (generalmente un conidio) de tipo de apareamiento opuesto entra en contacto con una parte del tricogino (véase la figura). Dicho contacto puede ir seguido de la fusión celular, lo que da lugar a que uno o más núcleos de la célula fecundadora migren a lo largo del tricogino hacia el ascogonio. Dado que las cepas A y a poseen las mismas estructuras sexuales, ninguna puede considerarse exclusivamente masculina o femenina. Sin embargo, como receptor, el protoperitecio de ambas cepas (A y a) puede considerarse la estructura femenina, y el conidio fecundador, el participante masculino.

Los pasos subsiguientes a la fusión de las células haploides A y a han sido descritos por Fincham y Day ^{[ 9 ]} y Wagner y Mitchell ^{[ 10 ]} . Tras la fusión de las células, la fusión de sus núcleos se retrasa. En su lugar, un núcleo de la célula fecundante y un núcleo del ascogonio se asocian y comienzan a dividirse sincrónicamente. Los productos de estas divisiones nucleares (aún en pares de tipo de apareamiento diferente, es decir, A/a ) migran a numerosas hifas ascógenas, que luego comienzan a crecer fuera del ascogonio. Cada una de estas hifas ascógenas se curva para formar un gancho (o báculo) en su extremo, y el núcleo A y un par de núcleos haploides dentro del báculo se dividen sincrónicamente. A continuación, se forman septos para dividir el báculo en tres células. La célula central en la curva del gancho contiene un núcleo A y un núcleo a (véase la figura). Esta célula binucleada inicia la formación del asco y se denomina célula "inicial del asco". A continuación, las dos células uninucleadas situadas a ambos lados de la primera célula formadora del asco se fusionan entre sí para formar una célula binucleada que puede crecer y formar un nuevo báculo, el cual a su vez puede formar su propia célula inicial del asco. Este proceso puede repetirse varias veces.

Tras la formación de la célula inicial del asco, los núcleos A y a se fusionan para formar un núcleo diploide (véase la figura). Este núcleo es el único núcleo diploide en todo el ciclo vital de N.  crassa . El núcleo diploide tiene 14 cromosomas formados a partir de los dos núcleos haploides fusionados, cada uno con 7 cromosomas. La formación del núcleo diploide va seguida inmediatamente de la meiosis . Las dos divisiones meióticas consecutivas dan lugar a cuatro núcleos haploides: dos del tipo de apareamiento A y dos del tipo de a . Una división mitótica adicional produce cuatro núcleos A y cuatro núcleos a en cada asco. La meiosis es una parte esencial del ciclo vital de todos los organismos de reproducción sexual y, en sus características principales, la meiosis en N.  crassa parece ser típica de la meiosis en general.

Mientras ocurren los eventos descritos, la vaina micelial que envolvía al ascogonio se desarrolla como la pared del peritecio, se impregna de melanina y se oscurece. El peritecio maduro tiene una estructura en forma de matraz.

Un peritecio maduro puede contener hasta 300 ascas, cada una derivada de núcleos diploides de fusión idénticos. Normalmente, en la naturaleza, cuando los peritecios maduran, las ascosporas se expulsan violentamente al aire. Estas ascosporas son resistentes al calor y, en el laboratorio, requieren calentamiento a 60  °C durante 30 minutos para inducir la germinación. Para las cepas normales, el ciclo sexual completo dura de 10 a 15 días. En un asca maduro que contiene ocho ascosporas, los pares de esporas adyacentes son idénticos en su constitución genética, ya que la última división es mitótica y las ascosporas están contenidas en el saco del asca que las mantiene en un orden definido por la dirección de la segregación nuclear durante la meiosis. Dado que los cuatro productos primarios también están dispuestos en secuencia, se puede distinguir un patrón de segregación de marcadores genéticos de la primera división de un patrón de segregación de la segunda división.

Debido a las características mencionadas, N.  crassa resultó ser muy útil para el estudio de los eventos genéticos que ocurren en las meiosis individuales. Los ascos maduros de un peritecio pueden separarse en un portaobjetos de microscopio y las esporas pueden manipularse experimentalmente. Estos estudios generalmente implicaban el cultivo separado de ascosporas individuales resultantes de un único evento meiótico y la determinación del genotipo de cada espora. Estudios de este tipo, realizados en varios laboratorios diferentes, establecieron el fenómeno de la "conversión genética" (véanse, por ejemplo, las referencias ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} ).

Como ejemplo del fenómeno de conversión genética, consideremos cruces genéticos de dos cepas mutantes de N.  crassa defectuosas en el gen pan-2 . Este gen es necesario para la síntesis de ácido pantoténico (vitamina B5 ₎ , y los mutantes defectuosos en este gen pueden identificarse experimentalmente por su requerimiento de ácido pantoténico en su medio de cultivo. Las dos mutaciones pan-2, B5 y B3, se encuentran en sitios diferentes del gen pan-2 , de modo que un cruce de B5 × B3 produce recombinantes de tipo silvestre con baja frecuencia. ^{[ 12 ]} Un análisis de 939 ascos en los que se pudieron determinar los genotipos de todos los productos meióticos (ascosporas) encontró 11 ascos con un patrón de segregación excepcional. Estos incluyeron seis ascos en los que había un producto meiótico de tipo silvestre pero ningún producto doble mutante recíproco esperado (B5B3). Además, en tres ascos la proporción de productos meióticos fue 1B5:3B3, en lugar de la proporción esperada 2:2. Este estudio, así como numerosos estudios adicionales en N.  crassa y otros hongos (revisados ​​por Whitehouse ^{[ 14 ]} ), condujo a una caracterización exhaustiva de la conversión génica. De este trabajo quedó claro que los eventos de conversión génica surgen cuando un evento de recombinación molecular ocurre cerca de los marcadores genéticos en estudio (por ejemplo, mutaciones pan-2 en el ejemplo anterior). Por lo tanto, los estudios de conversión génica permitieron comprender los detalles del mecanismo molecular de la recombinación. A lo largo de las décadas desde las observaciones originales de Mary Mitchell en 1955, ^{[ 11 ]} se ha propuesto una secuencia de modelos moleculares de recombinación basados ​​tanto en los datos genéticos emergentes de los estudios de conversión génica como en los estudios de las capacidades de reacción del ADN. La comprensión actual del mecanismo molecular de la recombinación se discute en los artículos de Wikipedia Conversión génica y Recombinación genética . La comprensión de la recombinación es relevante para varios problemas biológicos fundamentales, como el papel de la recombinación y la reparación recombinacional en el cáncer (véase BRCA1 ) y la función adaptativa de la meiosis .

Que el apareamiento en N.  crassa solo pueda ocurrir entre cepas de diferentes tipos de apareamiento sugiere que cierto grado de exogamia es favorecido por la selección natural. En hongos multicelulares haploides, como N.  crassa , la meiosis que ocurre en la breve etapa diploide es uno de sus procesos más complejos. Aunque físicamente mucho más grande que la etapa diploide, la etapa vegetativa multicelular haploide tiene característicamente una construcción modular simple con poca diferenciación. En N.  crassa , las mutaciones recesivas que afectan la etapa diploide del ciclo de vida son bastante frecuentes en poblaciones naturales. ^{[ 15 ]} Estas mutaciones, cuando son homocigotas en la etapa diploide, a menudo causan que las esporas tengan defectos de maduración o produzcan cuerpos fructíferos estériles con pocas ascosporas (esporas sexuales). La mayoría de estas mutaciones homocigotas causan meiosis anormal (por ejemplo, apareamiento cromosómico alterado o paquiteno o diploteno). ^{[ 16 ]} Se estimó que el número de genes que afectan la etapa diploide es de al menos 435 ^{[ 15 ]} (alrededor del 4% del número total de 9730 genes). Por lo tanto, el cruzamiento, promovido por la necesidad de la unión de tipos de apareamiento opuestos, probablemente proporciona el beneficio de enmascarar mutaciones recesivas que de otro modo serían perjudiciales para la formación de esporas sexuales (véase Complementación (genética) ).

Neurospora crassa no solo es un organismo modelo para el estudio de tipos fenotípicos en variantes knock-out, sino también un organismo particularmente útil y ampliamente utilizado en biología computacional y el reloj circadiano . Tiene un ciclo reproductivo natural de 22 horas y está influenciado por factores externos como la luz y la temperatura. Las variantes knock-out de N.  crassa de tipo silvestre se estudian ampliamente para determinar la influencia de genes específicos (véase Frecuencia (gen) ).

Un sustituto de la carne elaborado a partir de esta especie se vende bajo la marca Meati. ^{[ 17 ]}

• Charles Yanofsky – Genetista estadounidense (1925–2018) 
• David Perkins – Genetista estadounidense 
• Edward Tatum – Genetista estadounidense (1909–1975) 
• Factor de transcripción Fluffy : gen de Neurospora crassa necesario para la esporulación asexual. 
• George Beadle – Genetista estadounidense (1903–1989) 
• Norman Horowitz – Genetista estadounidense 
• Hipótesis de un gen, una enzima : teoría en genética 
• Robert Metzenberg – Genetista estadounidense 

• genoma de Neurospora crassa
• "Página principal de Neurospora" . Centro de Recursos Genéticos de Hongos (FGSC) . Consultado el 27 de diciembre de 2005 .
• "El Compendio de Neurospora" . Centro de Recursos Genéticos de Hongos (FGSC) . Consultado el 27 de diciembre de 2005 .
• "La Iniciativa del Genoma de Neurospora-Fongos" . Proyecto del Genoma de Neurospora . Archivado del original el 4 de marzo de 2016. Consultado el 12 de junio de 2015 .
• «Iniciativa Trans-NIH sobre Neurospora» . Institutos Nacionales de la Salud (NIH — Estados Unidos) . Archivado del original el 28 de octubre de 2005. Consultado el 27 de diciembre de 2005 .
• Montenegro-Montero A. (2010) "Los hongos todopoderosos: la revolucionaria Neurospora crassa". Una perspectiva histórica de las numerosas contribuciones de este organismo a la biología molecular.