A Genómica e a Transcritómica Revelam Clusters de Luciferase em Fungos

Sequenciação do genoma fúngico abrange várias técnicas-chave, incluindo a análise do genoma fúngico, mapeamento fino e re-sequenciamento. Esta abordagem poderosa permite a previsão de genes e proteínas cruciais, facilitando uma compreensão mais profunda das suas funções e mecanismos subjacentes. O sequenciamento do genoma fúngico substituiu os métodos convencionais, emergindo como uma ferramenta indispensável para investigar os mecanismos genéticos por trás da evolução bacteriana e dos genes funcionais essenciais.

O género Micenas compreende mais de 600 espécies conhecidas pelos seus chapéus em forma de guarda-chuva, e o seu habitat abrange o globo. Notavelmente, Micenas os fungos exibem uma característica cativante – bioluminescência. Das 81 espécies de fungos luminescentes identificadas, 68 pertencem a Micenas, um fenómeno que despertou o interesse dos investigadores. Foi estabelecido que a luciferase desempenha um papel fundamental na luminescência fúngica e é altamente conservada entre os fungos. No entanto, a origem evolutiva da luciferase nos fungos e os genes associados à luminescência permanecem envoltos em mistério. Em resposta a isso, os investigadores desenvolveram um modelo para esclarecer a evolução da bioluminescência fúngica. Conseguiram isso criando genomas de referência de alta qualidade para cinco Micenas espécies, aproveitando comparativo genómica e transcriptómica dados.

Montagem e Anotação do Genoma: Interacções de Elementos Transponíveis e Metilação do DNA

Utilizando Sequenciação ONT e sequenciação de próxima geraçãoos investigadores conseguiram construir genomas para cinco espécies dentro do compacto género de cogumelos, Micenas. Estes genomas apresentaram um intervalo de tamanho que varia de 50,9 a 167,2 megabases, com valores de Contig N50 variando de 2,2 a 5,5 megabases. O processo de anotação resultou num total de 13.940 a 26.334 genes codificadores de proteínas, enquanto a completude do genoma, avaliada utilizando métricas BUSCO, variou consistentemente entre 92,1% e 95,3%. Em resumo, os investigadores estabeleceram cinco genomas de referência de alta qualidade para o Micenas espécies.

Semelhante a outros genomas fúngicos, a variação nos tamanhos destes cinco selecionados Micenas os genomas podem ser atribuídos ao conteúdo de sequências repetitivas. Notavelmente, o menor genoma, M. clorofos, continham apenas 11,7% de sequências repetitivas, enquanto os genomas maiores, M. sanguinolenta e M. venusexibiram uma substancial percentagem de 35,7% a 39% de sequências repetitivas. Além disso, esses genomas dos Micenas a espécie demonstrou características fúngicas típicas, caracterizadas por um baixo conteúdo de sequências repetitivas e uma alta densidade genómica.

Além disso, a pesquisa revelou uma relação intrigante entre o tamanho do genoma e os níveis de metilação em M. venusFoi observado que a expansão de sequências de elementos transponíveis (ET) dentro do Micenas espécies correlacionadas com um aumento em sequências repetitivas e uma redução simultânea nos níveis de metilação. Este fenômeno levou, em última análise, aos tamanhos de genoma maiores observados.

Análise filogenómica de Mycena e fungos relacionados. (Ke et al., 2020)

Distribuição das características do genoma de Mycena. (Ke et al., 2020)

A Evolução da Luciferase: Uma Enzima Chave que Impulsiona a Luminescência Fúngica

As árvores filogenéticas, construídas através de várias metodologias, sugerem fortemente que a origem da luciferase pode ser rastreada até o período Jurássico Superior, aproximadamente 160 milhões de anos atrás. No entanto, uma questão intrigante surge: por que os fungos luminescentes se agrupam principalmente nos géneros Mycena e Marasmioid, enquanto os seus homólogos não luminescentes dentro destes mesmos géneros parecem ter perdido o essencial grupo de genes da luciferase? Esta peculiaridade levou os investigadores a aprofundar-se na complexa história evolutiva da luciferase.

Os resultados da pesquisa lançam luz sobre o fato de que a luciferase das espécies ancestrais dentro dos fungos luminescentes, abrangendo clusters genéticos chave como luz, h3h, cyp450 e hisps, estavam situados juntos no mesmo cromossoma ao lado da enzima cph. No entanto, ao longo do tempo, uma trajetória evolutiva distinta se desenrolou dentro das espécies de Mycena e Marasmioid.

Notavelmente, a luciferase luminescente fungos clado Marasmioid estava confinado a regiões genómicas onde as mudanças evolutivas ocorreram a um ritmo mais lento, desprovidas de rearranjos cromossómicos. Este ambiente permitiu a preservação de características consistentes da luciferase entre este grupo. Por outro lado, a luciferase dentro do Micenas as espécies de fungos luminescentes sofreram múltiplos eventos de rearranjo cromossómico mediado por elementos transponíveis, resultando em uma notável divergência entre as suas sequências de luciferase.

Além disso, os fungos não luminosos dentro destes géneros apresentaram uma perda completa do gene da luciferase, distinguindo-se dos seus homólogos bioluminescentes.

Sintenia em torno do cluster de luciferase entre fungos bioluminescentes. (Ke et al., 2020)

Identificação de Genes Associados à Luminescência Fúngica

Na busca por identificar com precisão os genes responsáveis pela luminescência fúngica, os investigadores empregaram uma abordagem de análise de transcriptoma em duas etapas. Eles realizaram uma análise de expressão gênica diferencial em quatro fungos distintos, cada um exibindo diferentes graus de luminescência. Além disso, os investigadores compararam os padrões de expressão de genes relacionados à luminescência em diferentes tecidos, focando em Mycena kentingensis como um exemplo representativo.

Os resultados revelaram um total de 29 genes diferencialmente expressos entre os quatro fungos, incluindo notavelmente os genes luz, h3h e hisps, confirmando assim o seu envolvimento direto no processo de luminescência. Uma Análise de Rede de Co-Expressão de Genes Ponderada (WGCNA) também identificou 67 genes co-expressos dentro de M. kentingensisEste conjunto não apenas abrangeu os 29 genes relacionados com a luminescência mencionados anteriormente, mas também genes associados à remodelação da parede celular. Esta descoberta intrigante implica uma possível conexão entre o processo de desenvolvimento fúngico, a remodelação da parede celular e a bioluminescência.

Em resumo, este estudo sublinha a regulação dinâmica do cluster de luciferase durante o desenvolvimento fúngico, destacando níveis distintos de expressão entre várias linhagens de fungos bioluminescentes. Através de uma análise comparativa abrangente do genoma, os investigadores construíram um modelo evolutivo da luciferase, lançando luz sobre a sua evolução em vários fungos luminescentes ao longo de mais de 160 milhões de anos. A análise do transcriptoma revelou ainda uma infinidade de genes ligados à luminescência fúngica, oferecendo novas perspetivas para a exploração deste fenómeno fascinante.

Análise de expressão para identificar genes envolvidos na bioluminescência. (Ke et al., 2020)

Referência:

1. Ke, Huei-Mien, et al. "Os genomas de Mycena resolvem a evolução da bioluminescência fúngica." Atas da Academia Nacional de Ciências 117,49 (2020): 31267-31277.