Schizosaccharomyces pombe -Schizosaccharomyces pombe
| Schizosaccharomyces pombe | |
|---|---|
|
|
Videnskabelig klassificering 
|
|
| Kongerige: | Svampe |
| Division: | Ascomycota |
| Klasse: | Schizosaccharomycetes |
| Bestille: | Schizosaccharomycetales |
| Familie: | Schizosaccharomycetaceae |
| Slægt: | Schizosaccharomyces |
| Arter: |
S. pombe
|
| Binomisk navn | |
|
Schizosaccharomyces pombe
Lindner (1893)
|
|
| Synonymer | |
|
|
Schizosaccharomyces pombe , også kaldet " fission gær ", er en art af gær anvendes i traditionel brygning og som en model organisme i molekylær og cellebiologi . Det er en encellet eukaryot , hvis celler er stavformede. Celler måler typisk 3 til 4 mikrometer i diameter og 7 til 14 mikrometer i længden. Dens genom , som er cirka 14,1 millioner basepar, anslås at indeholde 4.970 proteinkodende gener og mindst 450 ikke-kodende RNA'er .
Disse celler bevarer deres form ved udelukkende at vokse gennem cellespidserne og deler sig ved medial fission for at producere to datterceller af samme størrelse, hvilket gør dem til et kraftfuldt værktøj i cellecyklusforskning .
Fissionsgær blev isoleret i 1893 af Paul Lindner fra østafrikansk hirseøl . Artsnavnet pombe er swahili ord for øl. Det blev først udviklet som en eksperimentel model i 1950'erne: af Urs Leupold til at studere genetik og af Murdoch Mitchison til at studere cellecyklussen.
Paul Nurse , en fission gærforsker, lykkedes at fusionere de uafhængige skoler inden for fission gærgenetik og cellecyklusforskning. Sammen med Lee Hartwell og Tim Hunt vandt sygeplejersken Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2001 for deres arbejde med cellecyklusregulering.
Sekvensen af S. pombe -genomet blev offentliggjort i 2002 af et konsortium ledet af Sanger Institute og blev den sjette model eukaryote organisme, hvis genom er blevet fuldstændigt sekventeret . S. pombe -forskere understøttes af PomBase MOD ( Model Organism Database ). Dette har fuldstændig låst op for denne organisms magt, med mange gener, der er ortologe til menneskelige gener identificeret - 70% til dato, herunder mange gener, der er involveret i menneskelig sygdom. I 2006 blev subcellulær lokalisering af næsten alle proteiner i S. pombe offentliggjort ved hjælp af grønt fluorescerende protein som et molekylært mærke.
Schizosaccharomyces pombe er også blevet en vigtig organisme i undersøgelsen af de cellulære reaktioner på DNA -skader og processen med DNA -replikation .
Ca. 160 naturlige stammer af S. pombe er blevet isoleret. Disse er blevet indsamlet fra en række forskellige steder, herunder Europa, Nord- og Sydamerika og Asien. Størstedelen af disse stammer er blevet indsamlet fra dyrkede frugter såsom æbler og druer eller fra de forskellige alkoholholdige drikkevarer , såsom brasiliansk Cachaça . S. pombe er også kendt for at være til stede i fermenteret te, kombucha . Det er på nuværende tidspunkt ikke klart, om S. pombe er hovedgæreren eller en forurening i sådanne bryg. Den naturlige økologi af Schizosaccharomyces- gær er ikke velstuderet.
Historie
Schizosaccharomyces pombe blev først opdaget i 1893, da en gruppe, der arbejdede i et Brewery Association Laboratory i Tyskland, kiggede på sediment fundet i hirseøl importeret fra Østafrika, der gav det en syrlig smag. Udtrykket schizo, der betyder "split" eller "fission", var tidligere blevet brugt til at beskrive andre Schizosaccharomycetes . Tilføjelsen af ordet pombe skyldtes dets isolation fra østafrikansk øl, da pombe betyder "øl" på swahili. Standard S. pombe -stammer blev isoleret af Urs Leupold i 1946 og 1947 fra en kultur, som han fik fra gærsamlingen i Delft , Holland. Det blev der deponeret af A. Osterwalder under navnet S. pombe var. liquefaciens , efter at han i 1924 isolerede den fra fransk vin (sandsynligvis harsk) på Federal Experimental Station i Vini- og Havebrug i Wädenswil , Schweiz. Kulturen anvendt af Urs Leupold indeholdt (udover andre) celler med parringstyperne h90 (stamme 968), h- (stamme 972) og h+ (stamme 975). Efter dette har der været to store bestræbelser på at isolere S. pombe fra frugt, nektar eller gæringer: en af Florenzano et al. i vinmarkerne på det vestlige Sicilien, og den anden af Gomes et al. (2002) i fire regioner i det sydøstlige Brasilien.
Økologi
Fission gær S. pombe tilhører divisio Ascomycota, som repræsenterer den største og mest forskelligartede svampegruppe. Fritlevende ascomyceter findes almindeligvis i træudskillelser, på plantens rødder og i omgivende jord, på modne og rådne frugter og i forbindelse med insektvektorer, der transporterer dem mellem substrater. Mange af disse foreninger er symbiotiske eller saprofytiske, selvom talrige ascomyceter (og deres basidiomycete fætre) repræsenterer vigtige plantepatogener, der er målrettet mod utallige plantearter, herunder kommercielle afgrøder. Blandt de ascomycetøse gærslægter er fissionsgæren Schizosaccharomyces unik på grund af aflejring af α- (1,3) -glucan eller pseudonigeran i cellevæggen udover de bedre kendte β-glukaner og den virtuelle mangel på kitin. Arter af denne slægt adskiller sig også i mannansammensætning, som viser terminale d-galactose-sukkerarter i sidekæderne af deres mannaner. S. pombe gennemgår aerob gæring i nærvær af overskydende sukker. S. pombe kan nedbryde L-æblesyre, en af de dominerende organiske syrer i vin, hvilket gør dem forskellige blandt andre Saccharomyces- stammer.
Sammenligning med spirende gær ( Saccharomyces cerevisiae )
Gær-arter Schizosaccharomyces pombe og Saccharomyces cerevisiae begge i vid udstrækning undersøgt; disse to arter divergerede cirka 300 til 600 millioner år før nutid og er betydningsfulde værktøjer inden for molekylær og cellulær biologi. Nogle af de tekniske diskriminanter mellem disse to arter er:
- S. cerevisiae har cirka 5.600 åbne læserammer ; S. pombe har cirka 5.070 åbne læserammer.
- På trods af lignende genantal har S. cerevisiae kun omkring 250 introner , mens S. pombe har næsten 5.000.
- S. cerevisiae har 16 kromosomer , S. pombe har 3.
- S. cerevisiae er ofte diploid, mens S. pombe normalt er haploid .
- S. pombe har et shelterin -lignende telomerkompleks , mens S. cerevisiae ikke gør det.
- S. cerevisiae er i G1-fasen i cellecyklussen i en længere periode (som følge heraf er G1-S-overgangen tæt kontrolleret), mens S. pombe forbliver i G2-fasen i cellecyklussen i en længere periode (som en Følgelig er G2-M-overgangen under stram kontrol).
- Begge arter deler gener med højere eukaryoter, som de ikke deler med hinanden. S. pombe har RNAi -maskingener som dem hos hvirveldyr, mens dette mangler fra S. cerevisiae . S. cerevisiae har også stærkt forenklet heterochromatin sammenlignet med S. pombe . Omvendt har S. cerevisiae veludviklede peroxisomer , mens S. pombe ikke har det.
- S. cerevisiae har et lille centimeter på 125 bp og sekvensdefineret replikationsoprindelse af omtrent samme størrelse. På den modsatte side har S. pombe store, gentagne centromerer (40-100 kb) mere lig pattedyrcentromerer og degenererede replikationsoprindelser på mindst 1 kb.
S. pombe -veje og cellulære processer
S. pombe -genprodukter (proteiner og RNA'er) deltager i mange cellulære processer, der er almindelige i hele livet. Den fission gær GO slim giver en kategorisk overblik over den biologiske rolle af alle S. pombe genprodukter højt niveau.
Livscyklus
Fissionsgæren er en encellet svamp med enkelt, fuldt karakteriseret genom og en hurtig væksthastighed. Det har længe været brugt til brygning, bagning og molekylær genetik. S. pombe er en stavformet celle, cirka 3 um i diameter, der vokser helt ved forlængelse i enderne. Efter mitose sker division ved dannelsen af en skillevæg eller celleplade, der spalter cellen ved dens midtpunkt.
De centrale begivenheder ved cellereproduktion er kromosomduplikering, som finder sted i S (syntetisk) fase, efterfulgt af kromosomsegregation og nuklear division (mitose) og celledeling (cytokinesis), som samlet kaldes M (mitotisk) fase. G1 er kløften mellem M- og S -faserne, og G2 er kløften mellem S- og M -faser. I fissionsgæren forlænges G2-fasen særligt, og cytokinesis (dattercellesegregering) sker først, når en ny S (syntetisk) fase er lanceret.
Fissionsgær styrer mitose ved mekanismer, der ligner dem hos flercellede dyr. Det formerer sig normalt i en haploid tilstand. Når de sulter, smelter celler af modsatte parringstyper (P og M) til en diploid zygote, der straks kommer ind i meiosen for at generere fire haploide sporer. Når forholdene forbedres, spirer disse sporer for at producere formerende haploide celler.
Generelle træk ved cellecyklussen.
Den særlige cellecyklus for en fissionsgær.
Opdelingstrin af Schizosaccharomyces i lyst og mørkt feltlysmikroskopi
Cytokinesis
De generelle træk ved cytokinesis er vist her. Stedet for celledeling bestemmes før anafase. Anafasespindlen (med grønt på figuren) placeres derefter, så de adskilte kromosomer er på modsatte sider af det forudbestemte spaltningsplan.
Størrelseskontrol
I fissions gær, hvor vækst styrer progression gennem G2/M, forårsager en wee1 mutation adgang til mitose med en unormalt lille størrelse, hvilket resulterer i en kortere G2. G1 forlænges, hvilket tyder på, at progression gennem Start (begyndelse af cellecyklus) reagerer på vækst, når G2/M -kontrollen går tabt. Desuden vokser celler under dårlige næringsforhold langsomt og tager derfor længere tid at fordoble i størrelse og dele sig. Lavt næringsindhold nulstiller også vækstgrænsen, så cellen skrider frem gennem cellecyklussen ved en mindre størrelse. Ved udsættelse for stressende forhold [varme (40 ° C) eller oxidationsmidlet hydrogenperoxid] gennemgår S. pombe -celler ældning målt ved øget celledelingstid og øget sandsynlighed for celledød. Endelig er wee1 mutante fission gærceller mindre end vildtype celler, men det tager lige så lang tid at gennemgå cellecyklussen. Dette er muligt, fordi små gærceller vokser langsommere, det vil sige, at deres tilsatte samlede masse pr. Tidsenhed er mindre end for normale celler.
En rumlig gradient menes at koordinere cellestørrelse og mitotisk indtræden i fissionsgær. Den Pom1 proteinkinase (grøn) er lokaliseret til cellens cortex, med den højeste koncentration på cellen tips. Cellecyklusregulatorerne Cdr2, Cdr1 og Wee1 er til stede i kortikale knuder i midten af cellen (blå og røde prikker). a, I små celler når Pom1 -gradienten de fleste kortikale knuder (blå prikker). Pom1 hæmmer Cdr2, forhindrer Cdr2 og Cdr1 i at hæmme Wee1 og tillader Wee1 at phosphorylere Cdk1, hvilket inaktiverer cyclin-afhængig kinase (CDK) aktivitet og forhindrer indtræden i mitose. b, I lange celler når Pom1 -gradienten ikke de kortikale knuder (røde prikker), og derfor forbliver Cdr2 og Cdr1 aktive i knudepunkterne. Cdr2 og Cdr1 hæmmer Wee1, forhindrer phosphorylering af Cdk1 og fører derved til aktivering af CDK og mitotisk indtræden. (Dette forenklede diagram udelader flere andre regulatorer for CDK -aktivitet.)
Parring-type skifte
Fission gær skifter parringstype ved en replikationskoblet rekombinationshændelse, der finder sted under S-fasen i cellecyklussen. Fissionsgær bruger iboende asymmetri i DNA -replikationsprocessen til at skifte parringstype; det var det første system, hvor replikationsretningen viste sig at være nødvendig for ændringen af celletypen. Undersøgelser af parringstypeskiftesystem fører til opdagelse og karakterisering af et stedsspecifikt replikationsafslutningssted RTS1, et stedsspecifikt replikationspausested MPS1 og en ny type kromosomalt aftryk, der markerer et af søsterkromatiderne ved parringen -type locus mat1. Desuden har arbejdet med den tavse donorregion ført til store fremskridt i forståelsen af dannelse og vedligeholdelse af heterochromatin.
Svar på DNA -skader
Schizosaccharomyces pombe er en fakultativ seksuel mikroorganisme, der kan gennemgå parring, når næringsstoffer er begrænsende. Udsættelse af S. pombe for hydrogenperoxid, et middel, der forårsager oxidativ stress, der fører til oxidativ DNA -skade , inducerer stærkt parring og dannelse af meiotiske sporer. Dette fund tyder på, at meiose, og især meiotisk rekombination, kan være en tilpasning til reparation af DNA -skader. Understøttende er denne opfattelse, at enkeltbase læsioner af typen dU: dG i S. pombe 's DNA stimulerer meiotisk rekombination. Denne rekombination kræver uracil-DNA-glycosylase , et enzym, der fjerner uracil fra DNA-rygraden og starter reparation af base-excision. På grundlag af denne opdagelse blev det foreslået, at reparation af basisk excision af enten en uracilbase, et abasisk sted eller et enkeltstrenget nick er tilstrækkeligt til at starte rekombination i S. pombe. Andre forsøg med S. pombe indikerede, at defekt behandling af DNA-replikationsmellemprodukter, dvs. Okazaki-fragmenter , forårsager DNA-skader såsom enkeltstrengede hakker eller huller, og at disse stimulerer meiotisk rekombination.
Som modelsystem
Fissionsgær er blevet et bemærkelsesværdigt modelsystem til at studere grundlæggende principper for en celle, der kan bruges til at forstå mere komplekse organismer som pattedyr og især mennesker. Denne enkeltcelle eukaryot er ikke -patogen og let dyrket og manipuleret i laboratoriet. Fissionsgær indeholder et af de mindste antal gener i en kendt genom -sekvens for en eukaryot og har kun tre kromosomer i sit genom. Mange af de gener, der er ansvarlige for celledeling og cellulær organisering i fissions gærceller, findes også i menneskets genom. Cellecyklusregulering og opdeling er afgørende for vækst og udvikling af enhver celle. Fissionsgærs bevarede gener er blevet undersøgt kraftigt og årsagen til mange nyere biomedicinske udviklinger. Fission gær er også et praktisk modelsystem til at observere celledeling, fordi fissions gær er cylindrisk formede encellede eukaryoter, der deler sig og reproducerer ved medial fission. Dette kan let ses ved hjælp af mikroskopi. Fissionsgær har også en ekstremt kort generationstid, 2 til 4 timer, hvilket også gør det til et let modelsystem at observere og vokse i laboratoriet Fission gærs enkelhed i genomisk struktur, men alligevel ligheder med pattedyrs genom, let evne til at manipulere og evne der skal bruges til lægemiddelanalyse, er derfor, at fissionsgær yder mange bidrag til forskning i biomedicin og cellulær biologi og et modelsystem til genetisk analyse.
Genom
Schizosaccharomyces pombe bruges ofte til at studere celledeling og vækst på grund af bevarede genomiske områder, der også ses hos mennesker, herunder: heterochromatinproteiner, store replikationsoprindelser, store centromerer, konserverede cellulære kontrolpunkter, telomerfunktion, gensplejsning og mange andre cellulære processer. S. pombe ' s genom var fuldt sekventeret i 2002, at den sjette eukaryote genom sekventeret som en del af Genome Project. Anslået 4.979 gener blev opdaget inden for tre kromosomer indeholdende cirka 14 Mb DNA. Dette DNA er indeholdt i 3 forskellige kromosomer i kernen med huller i de centromere (40 kb) og telomere (260 kb) områder. Efter den indledende sekventering af fissions gærens genom er andre tidligere ikke-sekventerede områder af generne blevet sekventeret. Strukturel og funktionel analyse af disse genområder kan findes på storskala fission gærdatabaser, såsom PomBase .
43 procent af generne i genomprojektet viste sig at indeholde introner i 4.739 gener. Fissionsgær har ikke så mange duplikerede gener i forhold til spirende gær, der kun indeholder 5%, hvilket gør fissionsgær til et fantastisk modelgenom at observere og giver forskere mulighed for at skabe mere funktionelle forskningstilgange. S. pombe ' s med et stort antal af introner giver muligheder for en stigning på række proteintyper fremstillet af alternativ splejsning og gener, der koder for sammenlignelige gener i human. 81% af de tre centromerer i fissionsgær er blevet sekventeret. Længderne af de tre centromerer viste sig at være 34, 65 og 110 kb. Dette er 300-100 gange længere end centromerer for spirende gær. Et ekstremt højt bevaringsniveau (97%) ses også over 1.780-bp-regionen i DGS-regionerne i centromeren. Denne forlængelse af centromerer og dens konservative sekvenser gør fissionsgær til et praktisk modelsystem til brug for at observere celledeling og hos mennesker på grund af deres lighed.
PomBase rapporterer, at over 69% af proteinkodende gener har menneskelige ortologer, og over 500 af disse er forbundet med menneskelig sygdom . Dette gør S. pombe til et godt system at bruge til at studere menneskelige gener og sygdomsveje, især cellecyklus og DNA -checkpoint -systemer.
Genetisk mangfoldighed
Biodiversitet og evolutionær undersøgelse af fissionsgær blev udført på 161 stammer af Schizosaccharomyces pombe indsamlet fra 20 lande. Modellering af den evolutionære hastighed viste, at alle stammer stammer fra en fælles forfader, der har levet siden ~ 2.300 år siden. Undersøgelsen identificerede også et sæt på 57 stammer af fissionsgær, der hver adskilte sig med ≥1.900 SNP'er;, og alle påviste 57 fissionstammer var prototrofiske (i stand til at vokse på det samme minimale medium som referencestammen). En række undersøgelser af S.pombe genom understøtter ideen om, at den genetiske mangfoldighed af fission gærstammer er lidt mindre end spirende gær. Faktisk forekommer kun begrænsede variationer af S.pombe i spredning i forskellige miljøer. Desuden er mængden af fænotypisk variation, der adskiller sig i fissionsgær, mindre end den, der ses hos S. cerevisiae. Da de fleste stammer af fissionsgær blev isoleret fra bryggede drikkevarer, er der ingen økologisk eller historisk kontekst for denne spredning.
Cellecyklusanalyse
DNA -replikation i gær er blevet undersøgt i stigende grad af mange forskere. Yderligere forståelse af DNA -replikation, genekspression og bevarede mekanismer i gær kan give forskere information om, hvordan disse systemer fungerer i pattedyrsceller generelt og humane celler i særdeleshed. Andre stadier, såsom cellulær vækst og ældning, observeres også i gær for at forstå disse mekanismer i mere komplekse systemer.
S. pombe stationære faseceller undergår kronologisk ældning på grund af produktion af reaktive iltarter, der forårsager DNA -skader . De fleste af sådanne skader normalt kan repareres af DNA- basen excision reparation og nukleotid excision reparation . Defekter i disse reparationsprocesser fører til reduceret overlevelse.
Cytokinesis er en af komponenterne i celledeling, der ofte observeres i fissionsgær. Velbevarede komponenter i cytokinesis observeres i fissionsgær og giver os mulighed for at se på forskellige genomiske scenarier og lokalisere mutationer. Cytokinesis er et permanent trin og meget afgørende for cellens trivsel. Især kontraktil ringdannelse studeres stærkt af forskere, der anvender S. pombe som modelsystem. Den kontraktile ring er stærkt konserveret i både fissions gær og human cytokinesis. Mutationer i cytokinesis kan resultere i mange funktionsfejl i cellen, herunder celledød og udvikling af kræftceller. Dette er en kompleks proces i menneskelig celledeling, men i S. pombe kan enklere eksperimenter give resultater, der derefter kan anvendes til forskning i højere ordensmodelsystemer som mennesker.
En af de sikkerhedsforanstaltninger, som cellen tager for at sikre præcis celledeling, er cellecykluskontrolpunktet. Disse kontrolpunkter sikrer, at eventuelle mutagener elimineres. Dette gøres ofte ved relæsignaler, der stimulerer ubiquitination af målene og forsinker cytokinesis. Uden mitotiske kontrolpunkter som disse skabes og replikeres mutagener, hvilket resulterer i mange cellulære problemer, herunder celledød eller tumorigenese set i kræftceller. Paul Nurse, Leland Hartwell og Tim Hunt blev tildelt Nobelprisen i fysiologi eller medicin i 2001. De opdagede vigtige bevarede kontrolpunkter, der er afgørende for, at en celle kan dele sig ordentligt. Disse fund har været knyttet til kræft og syge celler og er et bemærkelsesværdigt fund for biomedicin.
Forskere, der bruger fissionsgær som modelsystem, ser også på organeldynamik og respons og de mulige korrelationer mellem gærceller og pattedyrsceller. Mitokondriersygdomme og forskellige organelsystemer, såsom Golgi -apparatet og endoplasmatisk retikulum, kan yderligere forstås ved at observere fissionsgærs kromosomdynamik og proteinekspressionsniveauer og regulering.
Biomedicinsk værktøj
Der er imidlertid begrænsninger ved brug af fissionsgær som modelsystem: dets resistens mod flere lægemidler. "MDR-svaret indebærer overekspression af to typer af effluxpumper til lægemidler, familien ATP-bindende kassette (ABC) ... og den store facilitator-superfamilie". Paul Nurse og nogle af hans kolleger har for nylig skabt S. pombe -stammer, der er følsomme over for kemiske hæmmere og almindelige sonder for at se, om det er muligt at bruge fissionsgær som et modelsystem for kemisk lægemiddelforskning.
For eksempel har Doxorubicin, et meget almindeligt kemoterapeutisk antibiotikum, mange negative bivirkninger. Forskere leder efter måder at yderligere forstå, hvordan doxorubicin virker ved at observere generne, der er knyttet til resistens, ved at bruge fissionsgær som et modelsystem. Der blev set sammenhænge mellem doxorubicins negative bivirkninger og kromosommetabolisme og membrantransport. Metaboliske modeller til lægemiddelmålretning bruges nu i bioteknologi, og der forventes yderligere fremskridt i fremtiden ved hjælp af fissions gærmodelsystemet.
Eksperimentelle tilgange
Fissionsgær er let tilgængelig, let dyrket og manipuleret til fremstilling af mutanter og kan vedligeholdes enten i en haploid eller diploid tilstand. S. pombe er normalt en haploide celle, men når den sættes under stressende forhold, normalt nitrogenmangel, vil to celler konjugeres til dannelse af en diploid, der senere danner fire sporer inden for en tetrad ascus. Denne proces er let synlig og observerbar under ethvert mikroskop og giver os mulighed for at se på meiose i et enklere modelsystem for at se, hvordan dette fænomen fungerer.
Stort set ethvert genetisk eksperiment eller teknik kan derfor anvendes på dette modelsystem såsom: tetradissektion, mutagener analyse, transformationer og mikroskopiteknikker såsom FRAP og FRET. Nye modeller, såsom Tug-Of-War (gTOW), bruges også til at analysere gærs robusthed og observere genekspression. Det er ret let at lave knock-in og knock-out-gener, og efter at fissionsgærens genom er sekvenseret, er denne opgave meget tilgængelig og velkendt.