Studie: Tödliche Pilze erhielten toxinspezifische Gene direkt aus uralter Quelle | Nebraska heute

Herbstliche Schädeldecke. Todeskappe. Engel zerstören.

Was ist in einem Namen? Juliet es erzählen zu hören, nicht viel. Aber was in den Pilzen mit diesen Namen steckt – ein Gift, das stark genug ist, um eine menschliche Leber innerhalb weniger Tage nach dem Verzehr von nur einem Pilzkopf außer Gefecht zu setzen – hätte auch Romeo fällen können.

Etwa 90 % der pilzbedingten Todesfälle weltweit stammen von Amanitaeine Gattung, deren essbare Arten manchmal ihren tödlichen Giften ähneln können. AmanitaDas giftigste Toxin des Pilzes, Alpha-Amanitin, kommt auch häufig in zwei anderen Pilzgattungen vor: Galerie und Lepiota.

Die Überraschung? Obwohl die Gattungen das Toxin teilen, teilen sie nicht viel von einer Abstammungslinie. Sie teilen auch keinen Lebensstil. Während das Amanitin-produzierende Amanita Arten leben in Symbiose mit Bäumen, Galeries ernähren sich von verrottendem Holz, während Lepiotas sondern Enzyme in den Boden ab und ernähren sich von dem darin enthaltenen Detritus.

„Wir wollten von Anfang an wissen, warum und wie diese nicht verwandten Gattungen dieselbe ziemlich komplex aussehende Chemikalie produzieren“, sagte Heather Hallen-Adams, außerordentliche Professorin für Lebensmittelwissenschaft und -technologie an der University of Nebraska-Lincoln .

Normalerweise würde eine solch auffällige Anpassung entstehen und über viele Generationen der sexuellen Fortpflanzung von einem gemeinsamen Vorfahren an die Gattungen weitergegeben oder vertikal übertragen werden. Aber Hallen-Adams und ihre Kollegen haben neue Beweise dafür gefunden, dass Gene, die für Alpha-Amanitin verantwortlich sind, stattdessen horizontal übertragen wurden – dass ein „unbekannter Pilzspender der Vorfahren“ diese Gene unabhängig und auf ebenfalls unbekannte Weise direkt an lebende Exemplare der drei Gattungen weitergegeben hat.

So exotisch es auch erscheinen mag, der horizontale Transfer ist bei prokaryotischen, einzelligen Lebensformen, insbesondere Bakterien, gut dokumentiert, wo das Phänomen Gene verbreiten kann, die für die Antibiotikaresistenz verantwortlich sind. Die Viren, die in Bakterienzellen eindringen, sind oft für diese horizontale Ausbreitung verantwortlich, obwohl es andere Wege gibt.

Vor etwa 15 Jahren veröffentlichten Hallen-Adams und Hong Luo von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften Forschungsergebnisse, die darauf hindeuteten, dass bestimmte Gene, die für die Synthese von Alpha-Amanitin in Pilzen verantwortlich sind, aus horizontalem und nicht aus vertikalem Transfer stammten.

“Es ist jetzt in Pilzen akzeptiert”, sagte Hallen-Adams über das Phänomen. „Als dies Anfang der 2000er Jahre vorgeschlagen wurde, war das nicht wirklich der Fall. Es gab viel Widerstand, dass dies bei Eukaryoten passieren könnte.“

In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurdeLuo, Hallen-Adams und Kollegen analysierten die sequenzierten Genome von 15 Arten, die Amanitin produzieren Amanita, Galerie und Lepiota Gattungen. Das Team identifizierte zwei weitere Gene – FMO1 und P450-29 – als wesentlich für die Verfeinerung der besonders tödlichen Endform von Alpha-Amanitin.

Beide Gene steuern die Produktion von Proteinen, die eine frühe Phase des Toxins modifizieren, indem sie chemische Verbindungen anbringen, die seine tödlichen Kräfte effektiv aktivieren oder verstärken. Als die Forscher das störten FMO1 -Gen fanden sie heraus, dass die Pilze insgesamt kein Alpha-Amanitin produzierten. Löschen P450-29 ergab ein zuvor nicht gemeldetes Toxin, das ungefähr 1.000-mal weniger wirksam ist als Alpha-Amanitin.

Das Team verglich auch die chromosomalen Positionen dieser beiden Gene und anderer, einschließlich MSDIN und POPB Gene, die Gegenstand seiner früheren Studien waren, über die 15 Pilzarten hinweg. In dem Galerie Art waren die Amanitin-relevanten Gene dicht gepackt auf einem Chromosom und umfassten einen Bereich von nur 100.000 Basenpaaren (die grundlegenden Bestandteile von DNS). Im Gegensatz, LepiotaDie für Amanitin kodierenden Gene umfassten ungefähr 2 Millionen Basenpaare und waren „überall verstreut“, sagte Hallen-Adams. Amanita‘s erstreckte sich inzwischen über mehr als 30 Millionen Basenpaare oder das 300-fache des genetischen Fußabdrucks von Galerie‘s.

Diese Unterschiede erstreckten sich über die Dichte ihrer chromosomalen Nachbarschaften hinaus bis hin zu den in ihnen lebenden Genfamilien. Galerie‘s MSDIN Genfamilie kann beispielsweise nur ein zyklisches Peptid oder eine ringförmige Kette chemischer Verbindungen produzieren: Alpha-Amanitin. Das verblasst dagegen Amanita‘s MSDIN Genfamilie, die so weit gewachsen ist, dass sie möglicherweise Hunderte verschiedener zyklischer Peptide produzieren kann – von denen 45 bestätigt wurden, von denen einige möglicherweise im Kampf gegen Krebs und andere Krankheiten eingesetzt werden könnten.

„Zyklische Peptide sind in der Regel biologisch aktive Verbindungen“, sagte Hallen-Adams. „Wir können viel mit ihnen machen. Sie können gute Arzneimittel sein. Leider sind sie nicht wirklich einfach zu synthetisieren; Es ist möglich, aber es ist schwierig, ein bioaktives zyklisches Peptid ausschließlich im Labor zu erhalten.

„Wir hoffen, in Zukunft etwas von dieser biosynthetischen Maschinerie aus den Pilzen nutzen zu können, um diese zyklischen Peptide nach Belieben zu erzeugen.“

Trotz der vielen und großen Unterschiede in der Alpha-Amanitin-Genetik deckte die Studie des Teams auch einige Parallelen auf, die auf die Wahrscheinlichkeit einer horizontalen Übertragung hindeuten. Beim Vergleich der Genome von fünf Arten — zwei von Amanitazwei von Lepiotaeine von Galerie – Die Forscher fanden heraus, dass sich in allen fünf Fällen genetisch ähnliche Regionen in der Nähe der Gene befanden, die für die Synthese des tödlichen Toxins verantwortlich sind.

Auch die Schätzung der genetischen Distanzen zwischen repräsentativen Arten der drei Gattungen war aufschlussreich. Die Abstände zwischen den sogenannten Haushaltsgenen der Spezies – was Hallen-Adams die „allgemeinen, was es braucht, um ein Pilz zu sein“-Gene nannte – waren signifikant größer als die Abstände zwischen ihren Amanitin-spezifischen Genen. Das stimmt mit einem Szenario überein, in dem die drei ansonsten unabhängigen Gattungen plötzlich ein als Geschenk verpacktes Paket von Genen erhielten, das ihnen eine Fähigkeit verlieh, ohne die sie sich zuvor entwickelt hatten – ein Paket, das von einem alten Zeitgenossen dieser Gattungen geliefert wurde.

„Wir sind davon überzeugt, dass es sich um einen horizontalen Gentransfer handelt“, sagte Hallen-Adams. „Wir glauben, dass es einen Vorfahren gibt, den wir nicht gefunden haben, aber das sieht wahrscheinlich so aus Galerie Anordnung, bei der alle Gene zusammen (geclustert) sind. Warum auch immer, Galerie hatte nie die Notwendigkeit, weiter zu gehen und blieb dabei (Arrangement). Im Laufe der Zeit, in Lepiota und Amanita, es diversifiziert. In Amanitaes abwechslungsreich ziemlich viel.

„Dies beantwortet nicht die endgültige Frage, woher es kam, aber es ist ein weiterer Schritt in die richtige Richtung.“

Obwohl Hallen-Adams weiterhin Amanitin-produzierende Pilze erforscht, ist sie jetzt damit beschäftigt, an Pilzjagden – „Streifzügen“ in der Fachsprache der Pilzfanatiker – als Teil der kürzlich gegründeten Nebraska Mycological Society teilzunehmen. Sie dient auch als Pilzberaterin für Nebraska Poison Control. Aber keine Rolle, sagte sie, bringt sie wahrscheinlich in den Weg des tödlichen Giftes.

„Entweder zum Glück oder leider, je nach Perspektive, sind wir in Nebraska nicht so reich an tödlichen, giftigen Pilzen“, sagte sie, bevor sie zugab: „Im Großen und Ganzen wahrscheinlich eine gute Sache.“

Hallen-Adams und Luo verfassten die PNAS Studium bei Francis Martin vom Französischen Nationalen Forschungsinstitut für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt; Zhu Yang und Yunjiao Lüli von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften; R. Michael Sgambelluri und Miranda Smith von der Michigan State University; und Xuan Li von der Kunming University of Science and Technology.

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