Saccharomyces cerevisiae, inaczej znane jako drożdże piekarskie, jest jednym z wielu organizmów modelowych badanych w laboratoriach na całym świecie. Ponieważ jego genom został zsekwencjonowany, jego genetyka jest łatwa do manipulowania i jest łatwa do utrzymania w laboratorium, ten gatunek drożdży był nieocenionym zasobem w zrozumieniu podstawowych procesów komórkowych, takich jak podział komórek i śmierć komórek. Ten film daje przegląd tego modelu organizmu i jego szeroki zakres zastosowań w badaniach biologicznych i biomedycznych.,
drożdże należą do domeny Eukaryota, która składa się z organizmów z jądrami związanymi z błoną, określanych jako eukaryoty. Wraz z grzybami i pleśniami, S. cerevisiae należy do grzybów Królestwa ze względu na obecność ściany komórkowej z chityny, polisacharydowego polimeru, który znajduje się nie tylko w grzybach, ale także w egzoszkieletach owadów i skorupiaków.
Co ciekawe, wiele białek występujących w drożdżach ma podobne sekwencje z białkami innych eukariotów., Białka te są często homologiczne, a ich podobne sekwencje wskazują, że organizmy mają wspólnego przodka. Badając funkcję danego białka w drożdżach, naukowcy uzyskują wgląd w funkcję białka u wyższych eukariotów, takich jak my, ludzie.
w naturze S. cerevisiae występuje w ciepłych, wilgotnych środowiskach, ze źródłem cukru pod ręką. Jednym z jego ulubionych miejsc spędzać czas jest Winnica, gdzie mieszka na skórze winogron.
S., cerevisiae ma okrągły lub elipsoidalny, jajowaty kształt i zwykle ma średnicę 5-10 mikrometrów, gdy jest wizualizowana za pomocą jasnego mikroskopu polowego.
gdy większość komórek eukariotycznych dzieli się poprzez mitozę i cytokinezę, w komórkach potomnych zachodzi jednakowa segregacja materiału genetycznego i cytoplazmy. Z drugiej strony, S. cerevisiae ulega podziałowi komórkowemu w procesie zwanym pączkowaniem.
Ta forma rozmnażania bezpłciowego polega na utworzeniu nowo zsyntetyzowanego pąka z komórki macierzystej, który rośnie w rozmiarze przez cały cykl komórkowy aż do cytokinezy., W przeciwieństwie do typowego podziału komórek eukariotycznych, obie komórki nie są równe pod względem wielkości po mitozie.
teraz, gdy dowiedzieliśmy się trochę o S. cerevisiae jako organizmie, porozmawiajmy o tym, co sprawia, że jest to świetny system modelowy do badań.
najpierw komórki drożdży rosną szybko i dzielą się co około 90 minut. Po drugie, są łatwe w uprawie i potrzebują tylko prostej techniki i oprzyrządowania do rozmnażania. Po trzecie, będąc pierwszym organizmem eukariotycznym, który zsekwencjonował cały genom, S. cerevisiae ma wszystkie sekwencje genów publicznie dostępne w bazie danych genomu drożdży.,
manipulacja genetyczna drożdży jest również niezwykle praktyczna. Większość wektorów S. cerevisiae, nosicieli interesującej sekwencji DNA, to wektory wahadłowe. Wektory wahadłowe to zazwyczaj plazmidy, które mogą rozmnażać się u dwóch różnych gatunków, takich jak E. coli i S. cerevisiae. Pozwala to na klonowanie molekularne w E. coli, np. włączenie genu Zielonego fluorescencyjnego białka z meduzy do wektora wahadłowego, który można wprowadzić w drożdżach, aby je świeciły.,
plazmid integracyjny drożdży jest rodzajem wektora wahadłowego, który umożliwia włączenie obcego DNA do genomu drożdży w procesie zwanym rekombinacją homologiczną. Rekombinacja homologiczna jest wymianą DNA między pasującymi lub podobnymi sekwencjami, która powoduje genetyczne skrzyżowanie między wektorem a genomowym DNA gospodarza. Może to spowodować, że Gen zostanie znokautowany lub jeden gen zostanie zamieniony na inny. Ponadto, ponieważ rekombinacja homologiczna powoduje integrację z genomem gospodarza, zmiana genetyczna utrzymuje się po podziale komórki drożdży.,
teraz, gdy wiesz, co sprawia, że drożdże są tak wygodne do nauki, rzućmy okiem na to, dlaczego te małe stworzenia były tak ważne naukowo. Dawno, dawno temu, na początku VI tysiąclecia p. n. e., drożdże były zaangażowane w fermentację winogron do produkcji wina. Drożdże odegrały później rolę w pieczeniu chleba w starożytnym Egipcie.
dopiero w 1856 roku Luis Pasteur zidentyfikował S. cerevisiae jako kluczowy mikrob do produkcji wina i wypieku chleba., Drożdże klasyfikuje jako fakultatywny beztlenowy, który, w przypadku braku tlenu, przełącza się do fermentacji, proces, który pozwala drożdże metabolizować cukry i produkuje alkohol jako produkt uboczny. W tym procesie pirogronian, który jest wytwarzany przez glikolizę, jest redukowany do acetylaldehydu, który następnie, dzięki konwersji NADH do NAD+, jest redukowany do etanolu, definiującego składnika w winie.
w XX wieku Hartwell i Nurse odkryli w drożdżach białka, które regulują cykl komórkowy.,
cykl komórkowy jest serią zdarzeń komórkowych, które obejmują właściwą replikację i segregację DNA jądrowego przed podziałem komórki. Identyfikacja cykliny białkowej i kinazy zależnej od cykliny, wraz ze zmianą ich względnej obfitości poprzez interfazę i mitozę, sugerowała, że białka te są kluczowymi regulatorami podziału komórki., Wysoce konserwowany charakter tych białek sprawia, że ich badania w drożdżach są cenne dla zrozumienia roli kinaz zależnych od cyklin w organizmach wielokomórkowych, takich jak dysregulacja cyklu komórkowego, co może prowadzić do niekontrolowanego podziału komórki lub raka.
15 lat później Blackburn, Greider i Szostak dokonali przełomowych badań w zrozumieniu telomerów, a także odkrycia telomeraz. Telomery to powtarzające się sekwencje DNA na końcu chromosomu, które zapobiegają degeneracji genomowego DNA., Dodawanie tych powtarzających się sekwencji odbywa się przez telomerazy na 3 ' bocznym końcu chromosomu, a uzupełnianie nukleotydów następuje przez polimerazę DNA w pasmie opóźniającym. Telomery mają wpływ na starzenie się, ponieważ te segmenty DNA stają się krótsze przez całe życie organizmu.
jeszcze niedawno, w 1992 roku, Ohsumi i jego koledzy odkryli geny regulujące autofagię, rodzaj recyklingu komórek. Podczas głodu składników odżywczych zbędne organelle są pochłaniane przez autofagosom., Autofagosom następnie łączy się z lizosomem, aby dalej rozkładać białka organellarne do aminokwasów niezbędnych do wytwarzania nowych białek. Autofagia bierze udział w ważnych mechanizmach komórkowych, które chronią przed inwazyjnymi patogenami i wzrostem guza.
istnieje szeroki zakres zastosowań do badania drożdży. Drożdże można na przykład wykorzystać do badania mitofagii, czyli usuwania uszkodzonych mitochondriów przez autofagosomy. Proces ten ma implikacje w chorobach takich jak Alzheimer i Parkinson., W tym filmie autofagia jest indukowana w komórkach drożdży z dodatkiem pożywki głodowej azotu. Następnie komórki są przygotowywane do mikroskopii fluorescencyjnej, w celu obserwacji mitofagii w komórkach głodujących azotem.
S. cerevisiae jest używany do ekspresji i oczyszczania dużych ilości białek, na przykład białka regulującego przewodnictwo torbielowate. W tym filmie komórki drożdży niosące plazmid CFTR są hodowane w dużych kulturach. Następnie odwirowanie komórek odbywa się w celu oddzielenia mikrosomów., Mikrosomy są sztucznymi naczyniami utworzonymi z retikulum endoplazmatycznego, gdy komórki są uszkodzone. Izolacja i oczyszczanie CFTR z mikrosomów pozwoli naukowcom badać strukturę białka przy użyciu metod takich jak krystalografia rentgenowska.
drożdże mogą być również wykorzystywane jako modelowy system do badań genetycznych białek naprawczych ludzkiego DNA. Białka te wykrywają i naprawiają uszkodzone DNA, aby zapobiec proliferacji komórek przenoszących wadliwy Genom, takich jak komórki nowotworowe., Tutaj można zobaczyć autorów pokrywających komórki drożdży przekształconym białkiem naprawczym DNA, WRN, na selektywnych płytkach medialnych. Morfologię komórek mutantów dla WRN można wizualizować za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, a wykrywanie tego białka w lizacie komórkowym przeprowadza się przez uruchomienie żelu białkowego do analizy Western Blot.
właśnie oglądałeś wprowadzenie JoVE ' a do S. cereviae. W tym filmie omówiliśmy: historię, biologię komórkową i molekularną oraz biomedyczne zastosowania S. cerevisiae. Mamy nadzieję, że podobał Ci się nasz film i zachęcamy do podzielenia się nim z kumplem.