Hoàn thành ba bộ gene nấm mốc Aspergillus docx

Do đó thông tin di truyền từ bộ gene 3 loài Aspergillus vừa công bố đã cung cấp nguồn thông tin dồi dào không chỉ về quá trình tiến hóa mà còn cung cấp thông tin về các đặc tính có l

Hoàn thành ba bộ

gene nấm mốc

Aspergillus

Trên tờ Narure số 428

(22-12-2005), trình tự genome 3 loài

nấm mốc Aspergillus đã được

công bố Cụ thể Aspergillus

oryzae, loài thường được dùng để

sản xuất rượu sake truyền thống

của Nhật; nấm Aspergillus

fumigatus loài gây bệnh trên

người và Apsergillus

nidulans thường được dùng như

một mô hình trong các nghiên

cứu di truyền Cũng cần nhắc lại

rằng giốngAspergillus có khoảng

185 loài, trong đó có 20 loài gây bệnh cho người, nhiều loài gây

bệnh cho thực vật và nhiều loài được con người ứng dụng để sản xuất thực phẩm, hóa chất và các enzyme công nghiệm Do đó

thông tin di truyền từ bộ gene 3

loài Aspergillus vừa công bố đã

cung cấp nguồn thông tin dồi dào không chỉ về quá trình tiến hóa

mà còn cung cấp thông tin về các đặc tính có lợi và có hại của từng loài

Các trình tự này được công bố từ nhóm các nhà khoa học bao gồm

Nhật, Mỹ và Châu Âu, tỷ lệ trình tự mỗi genome mà họ đọc được đạt

khoảng 95% Tổng dung lượng

genome từ 3 loài đã đọc là 95

Megabase, bao gồm 33.500 gene

mã hóa protein chứa trong 24

nhiễm sắc thể (8 NST mỗi loài) So sánh với bộ gene người, chúng ta nhớ lại rằng bộ gene người dài đến

320 Megabase nhưng chứa chỉ

30.000 gene mã hóa protein Cho thấy hệ số nén chặt gene trong

genome của Apergillus khá cao

1 Genome

a Aspergillus ogyzae, loài đã được

sử dụng gần một ngàn năm nay để sản xuất thực phẩm và đồ uống lên men cổ truyền của Nhật Bản

Genome của nó dài hơn genome

của A fumigatus và A

nidulans khoảng 7-9 Mb Để giải

thích cho trường hợp này, các nhà khoa học giả định rằng đã có một

số gene được chuyển từ loài khác

sang A ozyrae trong quá trình tiến

hóa Hơn nữa, phần DNA phụ trội (dài hơn) này không nằm tập trung trong genome mà ngược lại chúng phát tán nữa khắp bộ gene, đặc biệt chúng chứa khá nhiều gene liên

quan đến tổng hợp và vận chuyển nhiều chất chuyển hóa bậc hai - tức

là những hợp chất hóa học không liên quan trực tiếp đến sự tăng

trưởng, phát triển và sinh sản bình thường của sinh vật Các chất

chuyển hóa bậc hai thường mang tính đặc hiệu cho loài Do vậy, việc tìm thấy các gene liên quan đến

chất chuyển hóa bậc hai sẽ giúp

chúng ta hiểu biết kỹ hơn về đặc

tính sinh học đặc hiệu của loài quan tâm

Quan sát các loài tương cận với A

oryzae chẳng hạn A flavus và A

niger, các nhà khoa học cũng thấy

bọn này cũng có phương thức

"chiêu mộ" gene tương tự Chẳng

hạn loài A flavus có 25 gene mã

hóa cho các protein liên quan đến con đường tạo ra độc tố "aflatoxin" Điều khá ngạc nhiên là các gene

"gây độc" này cũng hiện diện ở

loài A oryzae nhưng may mắn là

chúng không biểu hiện Điều này

gợi ý rằng tổ tiên của A flavus đã chuyển các gene "gây độc" vào A

oryzae, nhưng sau đó chúng đã bất

hoạt trong quá trình tiến hóa của A

oryzae

b Aspergillus fumigatus là loài

nấm mốc gây các căn bệnh chết

người và là một dị ứng nguyên

không thể coi thường Trình tự A

fumigatus đã chỉ ra 9 gene liên

quan đến hiện tượng dị ứng không biết đến trước đây, cũng như nhiều gene liên quan đến quá trình sản

xuất các chất chuyển hóa bậc hai

đặc biệt, và một chuỗi các gene cơ bản có thể là cái đích tiềm năng cho thuốc tác dụng lên Tuy nhiên, các tác giả nghiên cứu nhận dịnh rằng các yếu tố đóng vai trò nền tảng

cho quá trình phát sinh bệnh của

loài A fumigatus này khá là phức

tạp, do đó để nhận diện đầy đủ bọn chúng, các nhà khoa học cần phải

sử dụng những khuynh hướng

nghiên cứu khác để bổ sung cho

khuynh hướng phân tích genome

đang dùng Chẳng hạn, loài A

fumigatus phát triển rất mạnh trong

loài sinh vật máu nóng (như con

người chúng ta), do đó mà chúng

có khả năng chịu được nhiệt độ cơ thể cao (so sánh với nhiệt độ môi trường ngoài) Bằng cách sử dụng

kỹ thuật DNA microarray, các nhà khoa học đã xác định được một

chuỗi các gene gọi là "gene chịu

nhiệt" mà toàn bộ hoạt động của

chúng tăng cao ở 37 oC Tuy nhiên điều may mắn là khi nhiệt độ tăng lên 37 oC thì nó không đủ sức bật nhiều gene liên quan đến độc tính của loài này

c Aspergillus nudulans từ đâu đã

được dùng như một sinh vật mô

hình nghiên cứu di truyền của nấm

Do đó mà bộ gene của nó được

xem là cốt yếu để tiến hành phân

tích so sánh ba loài Aspergillus, tuy nhiên bản thân bộ gen của A

nudulans cũng có những đặc tính

riêng biệt cần được khám phá

Chẳng hạn, sự điều hòa vài gene

riêng biệt đã được xác lập, trong đó các nhà khoa học đã nhận diện vị trí được giả định là nơi các yếu tố điều hòa và điều khiển phiên mã sẽ gắn lên Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn tìm thấy nhiều khung đọc

mở nhỏ nằm ở vùng thượng nguồn của gene có thể đóng vai trò ngăn

cản sự biểu hiện của của gene nằm

kề dưới nó Thông qua bộ gene, các nhà khoa học còn tìm thấy nhiều

gene, mà người ta không biết tới,

liên quan đến nhiều quá trình sinh học khác thường như: quá trình trao đổi chất (oxy hóa acid béo), phát

triển (tăng trưởng theo cực) và con đường sửa sai DNA

2 Tiến hóa genome

Kết quả phân tích so sánh genome

cho thấy 3 loài Aspergillus này đã

phân ly từ hàng trăm triệu năm

trước và do đó bộ gene của chúng khác biệt rấr đáng xem xét Tính

toán cho thấy có khoảng 3000

protein có liên hệ gần với nhau

hoặc "homologous" (tương đồng) trong bộ gene Trung bình, các

protein này có khoảng 68% acid

amine cơ định hiện diện trong tất cả

3 bộ gene - đây là một con số đáng

so sánh về sự tương đồng protein giữa thú có vú và cá vốn phân ly

khoảng 450 triệu năm trước Tuy

thế mà trật tự của các protein tương đồng dọc theo nhiễm sắc thế

(synteny - sự tương kề) lại được

bảo tồm nghiêm ngặt ở cả 3 loài,

cho thấy rằng không có sự nhân

genome trong suốt quá trình tiến

hóa Tuy nhiên, các vùng genome lớn lại thiếu sự tương kề (sự tương

kề - syntency - được hiểu là 2 gene hay 2 locus nằm liền kề nhau trên một NST và giữa chúng có thể có hoặc không có sự liên kết về mặt di truyền) Nguyên nhân là do các

vùng lặp lại sóng đôi trước sau kích thước nhỏ nằm chen lẫn trong

genome, vì thế các gene thường

được tái sắp xếp nằm ở các đầu của NST, làm gián đoạn ngẫu nhiên và tái sắp xếp các khối tương kề Cấu trúc genome như thế này thường

được thấy ở A oryzae hơn là ở A

fumigatus

Xem xét tốc độ tiến hóa các acid

amine ở các gene tương đồng cho thấy tốc độ này giống nhau ở cả 3

loài Điều này cho thấy sự tiến hóa

ở cấp độ vĩ mô (tức sự tái sắp xếp ở mức nhiễm sắct thể hay từng đoạn cấu trúc lớn) không song hành với tốc độ vi mô (tức tốc độ thay đổi

từng acid amine)

3 Giới tính của nấm mốc

Kết quả quan trọng bậc nhất thu

được từ sự so sánh 3 bộ gene đó là

hệ thống lai (giao phối) ở hai

loài A fumigatus và A oryzae

Sự sinh sản hữu tính ở nấm men

diễn ra giữa hai cá thể có giới tính đối nghịch và điều này được xác

định nhờ gene dạng giới

tính.Aspergillus nidulans có cả hai

gene giới tính: một gene chứa hộp alpha và một gene chứa nhóm có khả năng di động cao (high

mobility group HMG - là những

protein được đặt tên dựa trên độ di động của chúng khi chạy trên

trường diện di) Do đó mà mỗi tế

bào Aspergillus nidulans có hai

giới tính và vì thế mà chúng là loài

tụ thụ Loài này còn có thể sinh sản

vô tính bằng cách tạo ra bào tử để rồi sau đó các bào tử này phát tán thông qua cuống bào tử đính

Trước đây người ta cho rằng A

oryzae và A fumigatus sinh sản vô

tính qua quá trình phân chia đẳng

nhiễm Nhưng kết quả phân tích

genome cho thấy rằng mỗi loài

trong chúng nó đều có mang gene

giới tính Cụ thể: A oryzae mang gene giới tính kiểu alpha còn A

fumigatus mang gene giới tính kiểu

HMG Các gene này chiếm đóng vị trí trong genome gần như giống

nhau với khối liền kề chiếm khoảng 1,7 Mb Ngoài ra người còn tìm

thấy 215 gene tham gia vào pha

biệt hóa giới tính ở A

nidulans cũng được tìm thấy ở A oryzae và A fumigatus Dữ liệu này

cho thấy một khả năng rằng A

fumigatus và A oryzae là loài dị

giới tính, đồng thời sự bảo tồn từ

dạng lưỡng tính đến dị tính đã diễn

ra trong suốt quá trình tiến hóa

Figure: Mô hình tiến hóa của gene

giới tính ở nấm Aspergillus Ở tổ

tiên chung, đặc tính lưỡng giới

được thể hiện ở sự tồn tại 2 gene giới tính: gene alpha (màu đỏ) và gene HMG (màu xanh); hai gene này hợp nhất cùng nằm trên cùng 1 NST, có chung đoạn liên sườn

nhưng đối nghịch về hướng phiên

mã Quá trình tiến hóa đã phân ly

thành loài A nidulans hiện tại

lưỡng tính, nhưng NST đã bị đứt

đoạn và hai gene giới tính nằm ở

hai đầu mút của hai NST khác nhau nhưng đoạn liên sườn vẫn còn giữ

ở mỗi gene giới tính Trong khi đó

ở tổ tiên chung của hai loài A

oryzae và A fumigatus, hai gene

giới tính lại phân tách thành hai

loài riêng biệt nhưng vẫn giữa vùng liên sườn ở cả hai gene Sau khi

trình biệt hóa thành loài mới, cả

hai A oryzae và A fumigatus trở

thành loài dị giới đầy đủ, tức là một

cá thể chỉ có thể có hoặc gene giới tính alpha hoặc HMG

4 Tương lai

Các công trình này chỉ mới mô tả những thí nghiệm khởi đầu trên genome, dĩ nhiên, trình tự này sẽ cung cấp thông tin quý giá cho

nhiều mục đích nghiên cứu khác Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng trình tự genome của nhiều

loài Asperillus khác đang giải mã

sẽ sớm hoàn chỉnh, từ đó giúp các nhà khoa học hiểu rõ ràng và sâu sắc hơn sinh học và tiến hoá của

giống Aspergillus

Loài Aspergillus được mong chờ nhất là A niger, vốn là loài đã và

đang được sử dụng trong công

nghiệp sản xuất acid citric Người

ta hồ nghi rằng trình tự thông tin

của một số loài Aspergillus có giá trị thương mại, bao gồm cả A

niger, có thể đã được đọc trình tự

nhưng chúng bị các công ty công

nghệ sinh học cất giữ như một dạng thông tin bí mật Tuy nhiên người

ta cho rằng trong tương lai tình

hình sẽ khác đi: một tổ hợp các

công ty Nhật Bản đã đồng ý cho

các ngân hàng gene công cộng sử

dụng trình tự genome A

oryzae và A.nidulans một cách rộng

rãi mà không thu lệ phí Một tin vui

đó là Bộ Năng lượng Mỹ đang đọc

trình tự A niger và gần hoàn chỉnh,

bộ genome của loài này cũng sẽ

được sử dụng không thu phí khi nó hoàn tất Vì thế mà người ta cũng cho rằng thời kỳ trình tự genome là thông tin công nghệ bí mật đã chấm dứt