Chlamydomonas reinhardtii - Википедия - Chlamydomonas reinhardtii

Хламидомонада Reinhardtii
Хламидомонада6-1.jpg
Научная классификация редактировать
Тип:Хлорофита
Учебный класс:Chlorophyceae
Заказ:Chlamydomonadales
Семья:Chlamydomonadaceae
Род:Хламидомонада
Разновидность:
C. reinhardtii
Биномиальное имя
Хламидомонада Reinhardtii

Хламидомонада Reinhardtii это одноклеточный зеленая водоросль около 10 микрометры в диаметре, который плавает с двумя жгутики. Оно имеет клеточная стенка сделано из гидроксипролин -богатые гликопротеины, большая чашеобразная хлоропласт, большой пиреноид, и глазное пятно что чувствует свет.

Хламидомонада виды широко распространены по всему миру в почве и пресной воде. Хламидомонада Reinhardtii является особенно хорошо изученным биологическим модельный организм отчасти из-за простоты выращивания и способности изменять его генетику. Когда горит, C. reinhardtii может расти фотоавтотрофно, но может расти и в темноте, если снабжается органическим углеродом. Коммерчески, C. reinhardtii представляет интерес для производства биофармацевтических препаратов и биотоплива, а также является ценным исследовательским инструментом в создании водород.

История

В C. reinhardtii лабораторный штамм дикого типа c137 (mt +) происходит от изолята, полученного вблизи Амхерст, Массачусетс, в 1945 году Гилбертом М. Смитом.[1][2]

Название вида было написано по-разному из-за разной транслитерации названия с русского: Reinhardi, Reinhardii, и Reinhardtii все относятся к одному виду, C. reinhardtii Дангерд.[3]

Модельный организм

Поперечный разрез клетки водоросли Chlamydomonas reinhardtii, трехмерное изображение

Хламидомонада используется как модельный организм для исследования фундаментальных вопросов в клетка и молекулярная биология Такие как:

  • Как движутся клетки?
  • Как клетки реагируют на свет?
  • Как клетки узнают друг друга?
  • Как клетки генерируют регулярные, повторяемые жгутиковый формы волны?
  • Как клетки регулируют свой протеом для контроля жгутиковый длина?
  • Как клетки реагируют на изменение минерального питания? (азот, сера и др.)

Есть много известных мутантов C. reinhardtii. Эти мутанты являются полезными инструментами для изучения множества биологических процессов, включая подвижность жгутиков, фотосинтез, и синтез белка. С Хламидомонада виды обычно гаплоидны, эффекты мутаций видны сразу без дальнейших скрещиваний.

В 2007 году полная последовательность ядерного генома C. reinhardtii был опубликован.[4]

Каналродопсин -1 и Каналродопсин -2, белки которые функционируют как светозависимые катионные каналы, изначально были изолированы от C. reinhardtii.[5][6] Эти и другие подобные им белки все шире используются в области оптогенетика.[7]

Митохондриальное значение

Геном C. Reinhardtii важен для митохондриальных исследований, так как это один из видов, у которого гены 6 из 13 белков, кодируемых митохондриями, находятся в ядре клетки, а 7 - в митохондриях. У всех других видов эти гены присутствуют только в митохондриях и не могут быть аллотопно экспрессированы. Это важно для тестирования и разработки методов лечения генетических митохондриальных заболеваний.

Размножение

Вегетативные клетки Reinhardtii виды гаплоидный с 17 маленькими хромосомы. Под азот голодание, вегетативные клетки дифференцируются в гаплоидные гаметы.[8] Есть два типы вязки идентичны по внешнему виду, таким образом изогамный, и известный как мт (+) и мт (-), которые могут сливаться, образуя диплоид зигота. Зигота не имеет жгутиков и служит формой покоя этого вида в почве. На свету зигота подвергается мейоз и высвобождает четыре флагеллированных гаплоидных клетки, которые возобновляют вегетативный жизненный цикл.

В идеальных условиях роста клетки иногда могут пройти два или три цикла митоз до того, как дочерние клетки высвободятся из старой клеточной стенки в среду. Таким образом, за один этап роста на материнскую клетку может приходиться 4 или 8 дочерних клеток.

В клеточный цикл этих одноклеточных зеленых водорослей можно синхронизировать путем чередования периодов света и темноты. Фаза роста зависит от света, тогда как после точки, обозначенной как точка перехода или фиксации, процессы не зависят от света.[9]

Генетика

В последнее время привлекательность водорослей как модельных организмов возросла после того, как некоторые геномные ресурсы стали достоянием общественности. Проект Chlre3 Хламидомонада Последовательность ядерного генома, подготовленная Объединенным институтом генома Министерства энергетики США, включает 1557 каркасов общим размером 120 Мб. Примерно половина генома содержится в 24 каркасе длиной не менее 1,6 Мб. Текущая сборка ядерного генома доступна в Интернете.[10]

Митохондриальный геном размером ~ 15,8 КБ (доступ к базе данных: NC_001638) доступен онлайн в базе данных NCBI.[11] Полный геном хлоропласта размером ~ 203,8 КБ (доступ к базе данных: NC_005353) доступен в Интернете.[12][13]

Помимо данных о геномных последовательностях, существует большое количество данных об экспрессионных последовательностях, доступных в виде библиотек кДНК и тегов экспрессируемых последовательностей (EST). В Интернете доступны семь библиотек кДНК.[14] Библиотеку BAC можно приобрести в Институте геномики Университета Клемсона.[15] Также есть две базы данных> 50 000[16] и> 160 000[17] EST доступны в Интернете.

Полногеномная коллекция мутантов с картированными сайтами встраивания, охватывающими большинство ядерных генов.[18][19] доступен: https://www.chlamylibrary.org/.

Геном C. reinhardtii Было показано, что он содержит N6-метилдеоксиаденозин (6 мА), метку, обычную у прокариот, но гораздо реже у эукариот.[20] Некоторые исследования показали, что 6 мА в Хламидомонада может участвовать в позиционировании нуклеосом, поскольку он присутствует в линкерных областях между нуклеосомами, а также рядом с сайтами начала транскрипции активно транскрибируемых генов.[21]

Эволюция

Хламидомонада был использован для изучения различных аспектов эволюционной биологии и экологии. Это организм, который выбирают для многих селекционных экспериментов, потому что (1) он имеет короткое время генерации, (2) одновременно является гетеротроф и факультативный автотроф, (3) он может воспроизводиться половым и бесполым путем, и (4) уже имеется обширная генетическая информация.

Некоторые примеры (не исчерпывающие) эволюционной работы, проделанной с Хламидомонада включают эволюцию полового размножения,[22] фитнес-эффект мутаций,[23] и эффект адаптации к разным уровням CO2.[24]

Согласно одной часто цитируемой теоретической гипотезе,[25] половое размножение (в отличие от бесполого размножения) адаптивно поддерживается в благоприятной среде, поскольку оно снижает мутационную нагрузку за счет комбинирования вредных мутаций от разных линий происхождения и увеличивает среднюю приспособленность. Однако при длительном экспериментальном исследовании C. reinhardtii, были получены доказательства, опровергающие эту гипотезу. В сексуальных популяциях не было обнаружено исчезновения мутаций и не было обнаружено увеличения приспособленности.[26]

Движение

Chlamydomonas reinhardtii trajectory.png

Chlamydomonas Reinhardtii плавает благодаря двум жгутикам,[27] в движении, аналогичном человеческому брасс. Повторяя это элементарное движение 50 раз в секунду, водоросли имеют среднюю скорость 70 мкм / с;[28] генетическое разнообразие различных штаммов приводит к огромному диапазону значений этой величины. После нескольких секунд бега асинхронное биение двух жгутиков приводит к случайному изменению направления. Это движение получило название «Беги и падай».[27] В большем масштабе времени и пространства случайное движение водорослей можно описать как активное распространение явление.[29]

Методы трансформации ДНК

Трансформация генов происходит в основном за счет гомологичной рекомбинации в хлоропласте и гетерологичной рекомбинации в ядре. В C. reinhardtii Геном хлоропласта можно трансформировать, используя бомбардировку микрочастицами или перемешивание стеклянными шариками, однако этот последний метод гораздо менее эффективен. Ядерный геном трансформировали как с помощью перемешивания стеклянными шариками, так и с помощью электропорации. Биолистическая процедура оказывается наиболее эффективным способом введения ДНК в геном хлоропласта. Вероятно, это связано с тем, что хлоропласт занимает более половины объема клетки, обеспечивая микрочастицу большой мишени. Электропорация оказалась наиболее эффективным способом введения ДНК в ядерный геном с максимальной частотой трансформации на два порядка выше, чем при использовании метода стеклянных шариков.[нужна цитата ]

Производство биофармацевтических препаратов

Генно-инженерный Хламидомонада Reinhardtii был использован для производства амилоидного белка сыворотки млекопитающих, человека антитело белок, человек Фактор роста эндотелия сосудов, потенциальный терапевтическая вакцина против вируса папилломы человека 16,[30] потенциал вакцина против малярии (ан съедобная вакцина против водорослей ),[31] и сложный дизайнерский препарат, который можно использовать для лечения рака.[32]

Чистый источник производства водорода

Основная статья: Биологическое производство водорода (водоросли)

В 1939 году немецкий исследователь Ганс Гаффрон (1902–1979), который в то время работал при Чикагском университете, открыл водородный метаболизм одноклеточных зеленых водорослей. Хламидомонада Reinhardtii и некоторые другие зеленые водоросли могут при определенных обстоятельствах перестать производить кислород и вместо этого превращаться в производство водорода. Эта реакция гидрогеназа, фермент активен только при отсутствии кислорода, недолговечен. В течение следующих тридцати лет Гаффрон и его команда разработали базовую механику фотосинтетического производства водорода водорослями.[33]

Чтобы увеличить производство водорода, исследователи следят за несколькими следами.

  • Первый след - отделение гидрогеназы от фотосинтеза. Таким образом, накопление кислорода больше не может препятствовать производству водорода. И если сделать еще один шаг вперед, изменив структуру фермента гидрогеназы, станет возможным сделать гидрогеназу нечувствительной к кислороду. Это делает возможным непрерывное производство водорода. В этом случае поток электронов, необходимый для этого производства, больше не исходит от производства сахаров, а берется из распада его собственного запаса крахмал.[34]
  • Вторая дорожка предназначена для временного прерывания через генетическая манипуляция гидрогеназы, процесс фотосинтеза. Это препятствует достижению кислородом уровня, при котором он может остановить производство водорода.[35]
  • Третий след, в основном исследованный исследователями в 1950-х годах, - это химические или механические методы удаления O2, образующегося в результате фотосинтетической активности клеток водорослей. К ним относятся добавление поглотителей O2, использование добавленных восстановителей и продувка культур инертными газами.[36] Однако эти методы по своей сути не масштабируемы и могут быть неприменимы к прикладным системам. Новое исследование появилось на тему удаления кислорода из культур водорослей и может устранить проблемы с отложениями.
  • Четвертый трек был исследован, а именно использование солей меди для отделения действия гидрогеназы от производства кислорода.[37]
  • Пятый трек был предложен для перенаправления фотосинтетического потока электронов из CO.2 фиксация в Цикл Кальвина к гидрогеназе путем применения коротких световых импульсов к анаэробным водорослям[38] или истощая культуру CO2.[39]

Примечания

  1. ^ «CC-125 дикого типа mt + 137c». Список основных коллекций Центра хламидомонады. Архивировано из оригинал на 2009-07-27. Получено 2009-03-09.
  2. ^ Справочник по хламидомонаде, ISBN  978-0-12-370873-1)
  3. ^ http://megasun.bch.umontreal.ca/protists/chlamy/taxonomy.html Таксономия хламидомонады.
  4. ^ Торговец; Прочник, СЭ; Валлон, О; Харрис, EH; Karpowicz, SJ; Уитман, Великобритания; Терри, А; Саламов А; и другие. (2007). «Геном хламидомонады раскрывает эволюцию основных функций животных и растений». Наука. 318 (5848): 245–250. Bibcode:2007Наука ... 318..245М. Дои:10.1126 / science.1143609. ЧВК  2875087. PMID  17932292.
  5. ^ Нагель Г., Оллиг Д., Фурманн М. и др. (28 июня 2002 г.). «Каналродопсин-1: светозависимый протонный канал в зеленых водорослях». Наука. 296 (5577): 2395–8. Bibcode:2002Наука ... 296.2395N. Дои:10.1126 / science.1072068. PMID  12089443. S2CID  206506942.
  6. ^ Lagali PS, Balya D, Awatramani GB, Münch TA, Kim DS, Busskamp V, Cepko CL, Roska B (июнь 2008 г.). «Активируемые светом каналы, нацеленные на ON биполярные клетки, восстанавливают зрительную функцию при дегенерации сетчатки». Природа Неврология. 11 (6): 667–75. Дои:10.1038 / нн.2117. PMID  18432197. S2CID  6798764.
  7. ^ Boyden ES, et al. (3 мая 2011 г.). «История оптогенетики: разработка инструментов для управления цепями мозга с помощью света». F1000 Биологические отчеты. 3 (11): онлайн. Дои:10.3410 / B3-11. ЧВК  3155186. PMID  21876722.
  8. ^ СЕЙДЖЕР Р., ГРАНИК С. (июль 1954 г.). «Пищевой контроль сексуальности у Chlamydomonas reinhardi». J. Gen. Physiol. 37 (6): 729–42. Дои:10.1085 / jgp.37.6.729. ЧВК  2147466. PMID  13174779.
  9. ^ Oldenhof H .; Захледер В .; ден Энде Х. (2006). "Регулирование клеточного цикла с помощью синего и красного света Хламидомонада Reinhardtii (Chlorophyta) ". Евро. Дж. Фикол. 41 (3): 313–320. Дои:10.1080/09670260600699920.
  10. ^ «На главную - Chlamydomonas reinhardtii v3.0».
  11. ^ «Митохондрия Chlamydomonas reinhardtii, полный геном». Февраль 2010 г. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  12. ^ «Хлоропласт Chlamydomonas reinhardtii, полный геном». 2004-01-23. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  13. ^ "Портал генома хламидомонады хлоропластов".
  14. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал в 2004-10-19. Получено 2006-09-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-12-26. Получено 2006-04-03.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  16. ^ «[KDRI] Chlamydomonas reinhardtii EST index».
  17. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2005-02-04. Получено 2006-09-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  18. ^ Ли, Сяобо; Zhang, Ru; Патена, Вероника; Банда, Спенсер С .; Блюм, Шон Р .; Иванова, Нина; Юэ, Ребекка; Робертсон, Джейкоб М .; Lefebvre, Paul A .; Фитц-Гиббон, Сорел Т .; Гроссман, Артур Р .; Йоникас, Мартин К. (01.02.2016). «Индексированная, отображенная библиотека мутантов позволяет проводить обратные генетические исследования биологических процессов у Chlamydomonas reinhardtii». Растительная клетка. 28 (2): 367–387. Дои:10.1105 / tpc.15.00465. ISSN  1040-4651. ЧВК  4790863. PMID  26764374.
  19. ^ Ли, Сяобо; Патена, Вероника; Фаузер, Фридрих; Джинкерсон, Роберт Э .; Сарусси, Шай; Meyer, Moritz T .; Иванова, Нина; Робертсон, Джейкоб М .; Юэ, Ребекка; Zhang, Ru; Виларраса-Блази, Хосеп; Витткопп, Тайлер М .; Рамундо, Сильвия; Blum, Sean R .; Го, Одри; Лаудон, Мэтью; Шрикумар, Таран; Lefebvre, Paul A .; Гроссман, Артур Р .; Йоникас, Мартин К. (апрель 2019 г.). «Полногеномная библиотека мутантных водорослей и функциональный скрининг выявляют гены, необходимые для фотосинтеза эукариот». Природа Генетика. 51 (4): 627–635. Дои:10.1038 / s41588-019-0370-6. ISSN  1546-1718. ЧВК  6636631. PMID  30886426.
  20. ^ Хаттман, S; Кенни, C; Бергер, L; Пратт, К. (сентябрь 1978 г.). «Сравнительное исследование метилирования ДНК у трех одноклеточных эукариот». Журнал бактериологии. 135 (3): 1156–7. Дои:10.1128 / JB.135.3.1156-1157.1978. ЧВК  222496. PMID  99431.
  21. ^ Фу, Е; Ло Гуань-Чжэн; Чен, Кай; Дэн, Синь; Ю, Мяо; Хан, Дали; Хао, Цзыян; Лю, Цзяньчжао; Лу, Синюй; Доре, Луи С .; Вэн, Сяочэн; Цзи, Цюаньцзян; Mets, Laurens; Он, Чуан (май 2015 г.). «N6-Метилдезоксиаденозин отмечает активные стартовые участки транскрипции у хламидомонады». Клетка. 161 (4): 879–892. Дои:10.1016 / j.cell.2015.04.010. ЧВК  4427561. PMID  25936837.
  22. ^ Колегрейв N (2002). «Секс снимает ограничение скорости эволюции». Природа. 420 (6916): 664–666. Bibcode:2002 Натур. 420..664C. Дои:10.1038 / природа01191. HDL:1842/692. PMID  12478292. S2CID  4382757.
  23. ^ Де Виссер и др. 1996 Влияние пола и вредных мутаций на приспособленность Хламидомонада. Proc. R. Soc. Лондон. В 263-193-200.
  24. ^ Коллинз, Белл (2004). «Фенотипические последствия 1000 поколений селекции при повышенном уровне СО2 в зеленой водоросли». Природа. 431 (7008): 566–569. Bibcode:2004 Натур.431..566C. Дои:10.1038 / природа02945. PMID  15457260. S2CID  4354542.
  25. ^ Кондрашов А.С. (октябрь 1984 г.). «Вредные мутации как эволюционный фактор. 1. Преимущество рекомбинации». Genet. Res. 44 (2): 199–217. Дои:10,1017 / с0016672300026392. PMID  6510714.
  26. ^ Renaut S, Replansky T, Heppleston A, Bell G (ноябрь 2006 г.). «Экология и генетика приспособленности хламидомонады. XIII. Пригодность долгоживущих половых и бесполых популяций в благоприятных условиях». Эволюция. 60 (11): 2272–9. Дои:10.1554/06-084.1. PMID  17236420. S2CID  18977144.
  27. ^ а б Полин, Марко; Тувал, Идан; Дрешер, Кнут; Gollub, J. P .; Гольдштейн, Раймонд Э. (24 июля 2009 г.). «Хламидомонада плавает с двумя« шестернями »в эукариотической версии движения« беги и падай »». Наука. 325 (5939): 487–490. Дои:10.1126 / science.1172667. ISSN  0036-8075. PMID  19628868. S2CID  10530835.
  28. ^ Гарсия, Микаэль (09.07.2013). Hydrodynamique de micro-nageurs (кандидатская диссертация) (на французском языке). Université de Grenoble.
  29. ^ Гольдштейн, Раймонд Э (23.07.2018). «Являются ли теоретические результаты« результатами »?». eLife. 7: e40018. Дои:10.7554 / eLife.40018. ISSN  2050-084X. ЧВК  6056240. PMID  30033910.
  30. ^ Демуртас ОЦ; Massa S; Ferrante P; Venuti A; Franconi R; и другие. (2013). «Вакцина E7, полученная от хламидомонады, вируса папилломы человека 16, индуцирует специфическую защиту от опухолей». PLOS ONE. 8 (4): e61473. Bibcode:2013PLoSO ... 861473D. Дои:10.1371 / journal.pone.0061473. ЧВК  3634004. PMID  23626690.
  31. ^ (16 мая 2012 г.) Биологи производят вакцину против малярии из водорослей PhysOrg, последнее обращение 15 апреля 2013 г.
  32. ^ (10 декабря 2012 г.) Инженерные водоросли для создания сложного противоракового `` дизайнерского '' препарата PhysOrg, последнее обращение 15 апреля 2013 г.
  33. ^ Анастасиос Мелис; Томас Хаппе (2004). «Маршруты исследования водорода в зеленых водорослях - от Ханса Гаффрона к новым рубежам» (PDF). Фотосинтез Исследования. 80 (1–3): 401–409. Дои:10.1023 / B: PRES.0000030421.31730.cb. PMID  16328836. S2CID  7188276.
  34. ^ Лоран Курнак; Флоренс Муса; Летиция Бернарда; Женевьева Геденея; Полетт Виньезб; Жиль Пелти (2002). «Ограничивающие этапы производства водорода в Chlamydomonas reinhardtii и Synechocystis PCC 6803, как анализируются с помощью индуцированных светом переходных процессов газообмена». Международный журнал водородной энергетики. 27 (11/12): 1229–1237. Дои:10.1016 / S0360-3199 (02) 00105-2.
  35. ^ Анастасиос Мелис. «Производство водорода и углеводородного биотоплива путем фотосинтеза микроводорослей». Архивировано из оригинал на 2008-04-03. Получено 2008-04-07.
  36. ^ Косоуров, С .; Цыганов, А .; Зайберт, М .; Гирарди, М. (июнь 2002 г.). «Устойчивая фотопроизводство водорода Chlamydomonas reinhardtii: влияние параметров культуры». Biotechnol. Bioeng. 78 (7): 731–40. Дои:10.1002 / бит.10254. PMID  12001165.
  37. ^ Фернандес В.М., Руа М.Л., Рейес П., Каммак Р., Хатчикян ЕС (ноябрь 1989 г.). «Ингибирование гидрогеназы Desulfovibrio gigas солями меди и другими ионами металлов». Евро. J. Biochem. 185 (2): 449–54. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1989.tb15135.x. PMID  2555191.
  38. ^ Косоуров, С .; Jokel, M .; Aro, E.-M .; Аллахвердиева Ю. (март 2018 г.). "Новый подход к устойчивому и эффективному H2 фоторепродукция Chlamydomonas reinhardtii ". Энергетика и экология. 11 (6): 1431–1436. Дои:10.1039 / C8EE00054A.
  39. ^ Nagy, V .; Подманицки, А .; Vidal-Meireles, A .; Tengölics, R .; Ковач, Л .; Rákhely, G .; Scoma, A .; Tóth SZ. (Март 2018 г.). «Водоразделительный, устойчивый и эффективный H2 продукция зеленых водорослей, достигнутая за счет ограничения субстратом цикла Кальвина-Бенсона-Бассема ". Биотехнология для биотоплива. 11: 69. Дои:10.1186 / s13068-018-1069-0. ЧВК  5858145. PMID  29560024.

дальнейшее чтение

Аояма Х., Куроива Т. и Накамура С. 2009. Динамическое поведение митохондрий в живых зиготах во время созревания и мейоза в Хламидомонада Reinhardtii. Евро. J. Phycol. 44: 497 - 507.

Джамерс, А., Ленджу, М., Дераэдт, П., ван Бокстаэле, Д., Бласт, Р. и де Коэн, В. 2009. Проточный цитометрический анализ зеленых водорослей, подвергшихся воздействию кадмия. Chlamydomonas reinhadtii (Chlorophyceae). Евро. J. Phycol. 44: 54 - 550.

внешняя ссылка