Цианидиошизон
Виды водорослей

Цианидиошизон
Научная классификация Редактировать эту классификацию
Клад :Архепластиды
Разделение:Родофиты
Сорт:Цианидиофитовые
Заказ:Цианидии
Семья:Цианидийные
Род:Цианидиошизон
Разновидность:
C. меролае
Биномиальное имя
Цианидиошизон меролае
П.Де Лука, Р.Таддеи и Л.Варано, 1978 г. [1]

Cyanidioschyzon merolae — это небольшая (2 мкм), булавовидная, одноклеточная гаплоидная красная водоросль, адаптированная к среде горячих источников с высоким содержанием серы (pH 1,5, 45 °C). [2] [3] Клеточная архитектура C. merolae чрезвычайно проста, содержит только один хлоропласт и одну митохондрию и не имеет вакуоли и клеточной стенки . [4] Кроме того, деление клеток и органелл может быть синхронизировано. По этим причинам C. merolae считается превосходной модельной системой для изучения процессов деления клеток и органелл, а также биохимии и структурной биологии . [5] [6] [7] Геном организмастал первым полным геномом водоросли, который был секвенирован в 2004 году; [8] его пластида была секвенирована в 2000 и 2003 годах, а его митохондрия — в 1998 году. [9] Организм считается простейшей из эукариотических клеток из-за его минималистской клеточной организации. [10]

Выращивание красной водоросли C. merolae в колбах и 10-литровой (2,2 имп галлона; 2,6 галлона США) бутыли . Хотя C. merolae классифицируется как красная водоросль, она сине-зеленая: она производит мало или вообще не производит красного пигмента фикоэритрина [11] и , следовательно, демонстрирует только второй пигмент красных водорослей, фикоцианин , и зеленый пигмент хлорофилл [11 ]

Изоляция и рост в культуре

Первоначально выделенный Де Лукой в ​​1978 году из сольфатановых фумарол Кампи Флегрей ( Неаполь, Италия ), [2] C. merolae можно выращивать в культуре в лабораторных условиях в модифицированной среде Аллена (МА) [7] или в модифицированной форме с удвоенной концентрацией некоторых элементов, называемой МА2. [10] [12] При использовании среды МА темпы роста не особенно быстрые, со временем удвоения (время, необходимое культуре микробов для удвоения количества клеток на единицу объема) приблизительно 32 часа. [7] При использовании более оптимальной среды МА2 это время можно сократить до 24 часов. [7] Культивирование проводят при температуре 42 °C (108 °F) под белым флуоресцентным светом с приблизительной интенсивностью 50 мкмоль фотонов м −2 с −1 (мкЭ). [10] Однако при более высокой интенсивности света 90 мкЕ с 5% CO2 , подаваемым посредством барботирования, скорость роста C. merolae может быть дополнительно увеличена, при этом время удвоения составляет приблизительно 9,2 часа. [7] Более высокая освещенность не обязательно полезна, так как выше 90 мкЕ скорость роста начинает снижаться. [7] Это может быть связано с фотоповреждением, происходящим с фотосинтетическим аппаратом. C. merolae также можно выращивать на пластинах с геллановой камедью для целей отбора колоний или поддержания штамма в лаборатории. [7] C. merolae является облигатным оксигенным фототрофом , то есть он не способен поглощать фиксированный углерод из окружающей среды и должен полагаться на оксигенный фотосинтез для фиксации углерода из CO2 . [ 10]

Геном

Геном C. merolae из 16,5 мегапар оснований был секвенирован в 2004 году. [3] Сокращенный, чрезвычайно простой, компактный геном состоит из 20 хромосом и, как было обнаружено, содержит 5331 ген, из которых 86,3% были обнаружены экспрессированными, и только 26 содержат интроны , которые содержали строгие консенсусные последовательности. [3] Поразительно, что геном C. merolae содержит только 30 генов тРНК и крайне минимальное количество копий генов рибосомальной РНК , [3], как показано в таблице сравнения геномов. Сокращенная природа генома привела к нескольким другим необычным особенностям. В то время как большинство эукариот содержат около 10 копий динаминов, необходимых для защемления мембран для разделения разделяющихся отсеков, C. merolae содержит только две, [3] факт, который исследователи использовали при изучении деления органелл.

Несмотря на небольшой геном, [8] хлоропластный геном C. merolae содержит много генов, отсутствующих в хлоропластных геномах других водорослей и растений. [13] Большинство его генов не содержат интронов. [8]

Молекулярная биология

Как и в случае с большинством модельных организмов, генетические инструменты были разработаны для C. merolae . Они включают методы выделения ДНК и РНК из C. merolae , введение ДНК в C. merolae для временной или стабильной трансформации и методы отбора, включая ауксотроф урацила, который может быть использован в качестве селекционного маркера.

изоляция ДНК

Несколько методов, полученных из протоколов цианобактерий , используются для выделения ДНК из C. merolae . [10] [14] Первый - это горячая фенольная экстракция, которая является быстрой экстракцией, которая может быть использована для выделения ДНК, подходящей для амплификации ДНК полимеразной цепной реакции (ПЦР), [10] [15] при которой фенол добавляется к целым клеткам и инкубируется при 65 °C для извлечения ДНК. [10] Если требуется более чистая ДНК, можно использовать метод цетилтриметиламмонийбромида (CTAB). В этом методе сначала применяется буфер для экстракции с высоким содержанием соли, и клетки разрушаются, после чего смесь хлороформа и фенола используется для извлечения ДНК при комнатной температуре. [10]

Выделение РНК

Полная РНК может быть извлечена из клеток C. merolae с использованием варианта метода горячего фенола, описанного выше для ДНК. [10]

Извлечение белка

Как и в случае с ДНК и РНК, протокол экстракции белка также является адаптацией протокола, используемого для цианобактерий. [10] [16] Клетки разрушаются с помощью стеклянных шариков и встряхивания в 10% глицериновом буфере, содержащем восстанавливающий агент DTT для разрыва дисульфидных связей внутри белков. [10] В результате экстракции получаются денатурированные белки , которые можно использовать в гелях SDS-PAGE для вестерн-блоттинга и окрашивания Кумасси .

Отбор трансформантов и ауксотрофная по урацилу линия

C. merolae чувствителен ко многим антибиотикам, обычно используемым для отбора успешно трансформированных особей в лабораторных условиях, но устойчив к некоторым, в частности, к ампициллину и канамицину . [7] [17]

Обычно используемый маркер отбора для трансформации в C. merolae включает ауксотроф урацила (требующий экзогенного урацила). Мутант был разработан путем выращивания C. merolae в присутствии соединения 5- FOA , которое само по себе нетоксично, но преобразуется в токсичное соединение 5-фторурацил ферментом в пути биосинтеза урацила, оротидин 5'-монофосфат (OMP) декарбоксилазой , кодируемой геном Ura5.3 . [7] Случайная мутация привела к нескольким мутантам с потерей функции в Ura5.3 , что позволило клеткам выживать в присутствии 5-FOA, пока был предоставлен урацил. [7] Трансформируя этот мутант с помощью ПЦР-фрагмента, несущего как интересующий ген, так и функциональную копию Ura5.3 , исследователи могут подтвердить, что интересующий ген был включен в геном C. merolae, если он может расти без экзогенного урацила.

Временная экспрессия, опосредованная полиэтиленгликолем (ПЭГ)

В то время как хромосомная интеграция генов создает стабильный трансформант, транзиентная экспрессия позволяет проводить краткосрочные эксперименты с использованием меченых или модифицированных генов в C. merolae . Транзиентная экспрессия может быть достигнута с использованием метода на основе полиэтиленгликоля (ПЭГ) в протопластах (растительных клетках с жесткой клеточной стенкой, удаленной ферментативным путем), и поскольку у C. merolae отсутствует клеточная стенка, он ведет себя во многом как протопласт в целях трансформации. [12] Для трансформации клетки кратковременно подвергаются воздействию 30% ПЭГ с интересующей ДНК, что приводит к транзиентной трансформации. [12] В этом методе ДНК берется как кольцевой элемент и не интегрируется в геном организма, поскольку не существует гомологичных областей для интеграции.

Нацеливание генов

Для создания стабильной мутантной линии можно использовать нацеливание генов для вставки интересующего гена в определенное место генома C. merolae посредством гомологичной рекомбинации . Включая области ДНК длиной в несколько сотен пар оснований на концах интересующего гена, которые комплементарны последовательности в геноме C. merolae , можно использовать собственный аппарат репарации ДНК организма для вставки гена в эти области. [18] Здесь можно использовать ту же процедуру трансформации, которая используется для транзиентной экспрессии, за исключением гомологичных сегментов ДНК, чтобы обеспечить интеграцию генома. [18]

Электронно-микроскопическое изображение глубокого травления замороженного излома C. merolae , показывающее две клетки, в одной из которых пластида начала делиться. Предоставлено профессором Урсулой Гуденаф .

Изучение деления клеток и органелл

Чрезвычайно простая дивисома, простая архитектура клеток и способность синхронизировать деления в C. merolae делают его идеальным организмом для изучения механизмов деления эукариотических клеток и органелл. [3] [6] Синхронизация деления органелл в культивируемых клетках может быть очень простой и обычно включает использование световых и темных циклов. Химический агент афидиколин может быть добавлен для легкой и эффективной синхронизации деления хлоропластов. [19] Механизм деления пероксисом был впервые установлен с использованием C. merolae в качестве системы, [20] где деление пероксисом может быть синхронизировано с использованием разрушающего микротрубочки препарата оризалина в дополнение к циклам свет-темнота. [20]

Исследование фотосинтеза

C. merolae также используется в исследовании фотосинтеза . Примечательно, что субъединичный состав фотосистем C. merolae имеет некоторые существенные отличия от других родственных организмов. [21] [22] Фотосистема II (ФСII) C. merolae , как и можно было ожидать, имеет особенно необычный диапазон pH, в котором она может функционировать. [21] [23] Несмотря на то, что механизм ФСII требует быстрого высвобождения протонов, а растворы с более низким pH должны изменять способность делать это, ФСII C. merolae способна обмениваться и расщеплять воду с той же скоростью, что и другие родственные виды. [21]

Смотрите также

  • Проект генома Cyanidioschyzon merolae

Guiry, MD; Guiry, GM "Cyanidioschyzon merolae". AlgaeBase . Университет Голуэя .

Ссылки

  1. ^ «Cyanidioschyzon merolae»: новая водоросль термально-кислых сред. P De Luca, R Taddei и L Varano, Webbia, 1978
  2. ^ ab De Luca P; Taddei R; Varano L (1978). « Cyanidioschyzon merolae  »: новая водоросль термально-кислых сред». Журнал таксономии и географии растений . 33 (1): 37– 44. doi :10.1080/00837792.1978.10670110. ISSN  0083-7792.
  3. ^ abcdef Мацузаки М; Мисуми О; Шин-и Т; Маруяма С; Такахара М; Миягисима С; Мори Т; Нисида К; Ягисава Ф; Нисида К; Ёсида Ю; Нисимура Ю; Накао С; Кобаяши Т; Момояма Ю; Хигасияма Т; Минода А; Сано М; Номото Х; Оиси К; Хаяши Х; Охта Ф; Нишизака С; Хага С; Миура С; Моришита Т; Кабея Ю; Терасава К; Сузуки Ю; Исии Ю; Асакава С; Такано Х; Охта Н; Куроива Х; Танака К; Симидзу Н; Сугано С; Сато Н; Нодзаки Х; Огасавара Н; Кохара Ю; Куроива Т. (2004). «Геномная последовательность ультрамалой одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae 10D». Nature . 428 (6983): 653– 657. doi : 10.1038/nature02398 . PMID  15071595.
  4. ^ Роберт Эдвард Ли (1999). Психология . Издательство Кембриджского университета.
  5. ^ Куроива Т; Куроива Х; Сакаи А; Такахаши Х; Тода К; Ито Р. (1998). «Аппарат деления пластид и митохондрий». Межд. Преподобный Цитол . Международный обзор цитологии. 181 : 1– 41. doi : 10.1016/s0074-7696(08)60415-5. ISBN 9780123645852. PMID  9522454.
  6. ^ ab Kuroiwa (1998). «Примитивные красные водоросли Cyanidium caldarium и Cyanidioschyzon merolae как модельная система для исследования делительного аппарата митохондрий и пластид». BioEssays . 20 (4): 344– 354. doi :10.1002/(sici)1521-1878(199804)20:4<344::aid-bies11>3.0.co;2-2.
  7. ^ abcdefghij Минода А; Сакагами Р; Ягисава Ф; Куроива Т; Танака К (2004). «Улучшение условий культивирования и доказательства ядерной трансформации путем гомологичной рекомбинации в красной водоросли Cyanidioschyzon merolae 10D». Plant Cell Physiol . 45 (6): 667– 671. doi : 10.1093/pcp/pch087 . PMID  15215501.
  8. ^ abc Matsuzaki, M.; et al. (2004). "Геномная последовательность ультрамалой одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae 10D". Nature . 428 (6983): 653– 657. doi : 10.1038/nature02398 . PMID  15071595.
  9. ^ Барбье, Гийом и др. (2005). «Сравнительная геномика двух близкородственных одноклеточных термоацидофильных красных водорослей, Galdieria sulphuraria и Cyanidioschyzon merolae, раскрывает молекулярную основу метаболической гибкости Galdieria sulphuraria и значительные различия в метаболизме углеводов обеих водорослей». Физиология растений . 137 (2): 460– 474. doi :10.1104/pp.104.051169. PMC 1065348. PMID  15710685 . 
  10. ^ abcdefghijk Kobayashi Y; Ohnuma M; Kuroiwa T; Tanaka K; Hanaoka M (2010). «Основы культивирования и молекулярно-генетический анализ одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae ». Журнал эндоцитобиоза и клеточных исследований . 20 : 53–61 .
  11. ^ ab Castenholz RW; McDermott TR (2010). «Цианидии: экология, биоразнообразие и биогеография». В Seckbach J; Chapman DJ (ред.). Красные водоросли в геномную эпоху . стр.  357–371 .
  12. ^ abc Ohnuma M; Yokoyama T; Inouye T; Sekine Y; Tanaka K (2008). "Опосредованная полиэтиленгликолем (ПЭГ) транзиторная экспрессия генов в красной водоросли Cyanidioschyzon merolae 10D". Plant Cell Physiol . 49 (1): 117– 120. doi : 10.1093/pcp/pcm157 . PMID  18003671.
  13. ^ Охта, Н; Мацузаки, М; Мисуми, О; Миягишима, Ю.Ю.; Нодзаки, Х; Танака, К; Шин-и, Т; Кохара, Ю; Куроива, Т. (2003). «Полный секвенированный анализ пластидного генома одноклеточной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae». Исследования ДНК . 10 (2): 67–77 . doi : 10.1093/dnares/10.2.67 . ПМИД  12755171.
  14. ^ Имамура С.; Ёсихара С.; Накано С.; Сиодзаки Н.; Ямада А.; Танака К.; Такахаши Х.; Асаяма М.; Шираи М. (2003). «Очистка, характеристика и экспрессия генов всех сигма-факторов РНК-полимеразы в цианобактерии». J. Mol. Biol . 325 (5): 857– 872. doi :10.1016/s0022-2836(02)01242-1. PMID  12527296.
  15. ^ Kobayashia Y; Kanesakia Y; Tanakab A; Kuroiwac H; Kuroiwac T; Tanaka K (2009). "Сигнал тетрапиррола как координатор клеточного цикла от органеллы до репликации ядерной ДНК в растительных клетках". Proc. Natl. Acad. Sci . 106 (3): 803–807 . doi : 10.1073/pnas.0804270105 . PMC 2625283. PMID  19141634 . 
  16. ^ Имамура С.; Ханаока М.; Танака К. (2008). «Связанный с растениями белок TFIIB, PBRP, является общим фактором транскрипции для РНК-полимеразы I». EMBO J. 27 ( 17): 2317– 2327. doi :10.1038/emboj.2008.151. PMC 2529366. PMID  18668124 . 
  17. ^ Ягисава Ф; Нисида К; Окано Ю; Минода А; Танака К; Куроива Т. (2004). «Выделение устойчивых к циклогексимиду мутантов Cyanidioschyzon merolae». Цитология . 69 : 97–100 . doi : 10.1508/cytologia.69.97 .
  18. ^ ab Fujiwara T; Ohnuma M; Yoshida M; Kuroiwa T; Hirano T (2013). "Нацеливание генов в красной водоросли Cyanidioschyzon merolae: одно- и многокопийная вставка с использованием аутентичных и химерных маркеров селекции". PLOS ONE . ​​8 (9): e73608. doi : 10.1371/journal.pone.0073608 . PMC 3764038 . PMID  24039997. 
  19. ^ Теруи С.; Сузуки К.; Такахиаши Х.; Ито Р.; Куроива Т. (1995). «Высокая синхронизация деления хлоропластов в ультрамикроводоросли Cyanidioschyzon merolae при обработке как светом, так и афидиколином». J. Phycol . 31 : 958–961 . doi :10.1111/j.0022-3646.1995.00958.x. S2CID  84124611.
  20. ^ аб Имото Y; Куроива Х; Ёсида Ю; Онума М; Фудзивара Т; Ёсида М; Нисида К; Ягисава Ф; Хироока С; Миягишима С; Мисуми О; Кавано С; Куроива Т. (2013). «Деление пероксисомы, ограниченное одной мембраной, выявленное путем выделения механизмов на основе динамина». Учеб. Натл. акад. Наука . 110 (23): 9583–9588 . doi : 10.1073/pnas.1303483110 . ПМЦ 3677435 . ПМИД  23696667. 
  21. ^ abc Nilsson H; Krupnik T; Kargul J; Messinger J (2014). "Обмен субстратной воды в основных комплексах фотосистемы II экстремофильной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1837 (8): 1257– 1262. doi : 10.1016/j.bbabio.2014.04.001 . PMID  24726350.
  22. ^ Bricker TM; Roose JL; Fagerlund RD; Frankel LK; Eaton-Rye JJ (2012). «Внешние белки фотосистемы II». Biochim. Biophys. Acta . 1817 (1): 121– 142. doi : 10.1016/j.bbabio.2011.07.006 . PMID  21801710.
  23. ^ Крупник Т; Котабова Е; ван Безувен Л.С.; Мазур Р; Гарстка М; Никсон Пи Джей; Барбер Дж; Кана Р; Букема Э.Дж.; Каргул Дж (2013). «Механизм фотозащиты, зависящий от реакционного центра, в очень устойчивой фотосистеме II экстремофильной красной водоросли Cyanidioschyzon merolae». Ж. Биол. Хим . 288 (32): 23529–23542 . doi : 10.1074/jbc.m113.484659 . ПМК 5395030 . ПМИД  23775073. 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Цианидиошизон&oldid=1223156980"