Modelové organismy: houby

Domestikovaná jednobuněčná houba – pekařské droždí Saccharomyces cerevisiae — přispěl a bude nadále přispívat k rozvoji biochemie, genetiky a molekulární biologie. Pekařské droždí je prvním a nejjednodušším jaderným (eukaryotickým) modelovým organismem v našem průvodci. Ale přestaňte: plíseň sdílí dlaň s plísní červeného chleba Neurospora crassa, který se již stal oblíbencem univerzitních laboratoří.

Dvanáct modelových organismů

Ahoj! Jmenuji se Sergey Moshkovsky. Vážení redaktoři Biomolecules, po vydání nástěnného kalendáře o modelových organismech na rok 2020, mi objednali longread, který měl jako přísný doprovod doprovázet kalendář na webu. Chvilková slabost – kolik jich v životě bylo! – a už souhlasím. Ale jak psát? Koneckonců o každém modelovém zvířeti zobrazeném v kalendáři a také o několika desítkách, které se tam nevešly, byly napsány svazky vědecké a dokonce populární literatury. Budete muset psát nenovinářsky, z hlavy, aby nevyšlo něco jako báseň „Moskva – Petushki“, kde jsou místo stanic modelové organismy. Já a několik dalších autorů vám představujeme sbírku pestrých kapitol – budou vycházet v průběhu roku 2020. Čtenáři, omlouvám se! Víte, koho za to můžete vinit!

Nejjednodušší model eukaryot – Neočekávané vlastnosti – Syntetické kvasinky – Haploidní mycelium pro biochemii a genetiku Tentokrát jsou naším modelovým organismem jednobuněčné houby pekařské (nebo pivovarské, jak chcete) kvasnice Saccharomyces cerevisiae. Přinášejí nám vůni kaše a chleba – vůni laboratoře, ve které pracují s kvasnicemi. Ale nejen vůně! Kvasinky nám ze všech sil pomáhají získat nové poznatky o přírodě. Navzdory tomu, že buňka kvasinek je desítkykrát menší než zrnko písku ze slavné básně Williama Blakea, vědci z ní již vytěžili spoustu informací. Pokud má někdo zájem potápět se do tohoto moře, může začít s Knihou kvasnic. Kvasinky však nejsou první houbou, která se zabydlela na Petriho miskách a laboratorních regálech. Zatímco genetici kvasinky teprve krotili, jejich místo v laboratoři zaujala plíseň červená chlebová – hustá Neurospora. Jako klubko nití v ruských pohádkách pomáhala vědcům udělat první krůčky ve světě biochemie a genetiky eukaryot.

Pekařské droždí – živé zkumavky

1. Náš „ideál“ byl vždy po ruce a nemuseli jsme čekat několik let (nebo dokonce dní!), než vyroste nová generace (slona škrtneme).
2. Práce s tímto objektem nevyžadovala velké materiálové náklady a nebyla spojena s rizikem pro zdraví (včetně duševního zdraví!) experimentátorů.
3. Bylo možné snadno upravit jeho geny.
4. Modelový objekt byl zároveň adekvátním modelem pro člověka – chceme pochopit, jak jsme sami strukturováni!

Pravděpodobně už tušíte, že pekařské droždí dokonale splňuje všechny tyto podmínky (ne nadarmo si stejně jako některé další modelové předměty z našeho průvodce nechaly postavit pomník – podívejte se na obrázek 1!).

Zde jsou některé pěkné výhody droždí:

1. Doba zdvojnásobení biomasy u standardního laboratorního kmene kvasinek je pouze hodinu a půl. To znamená, že jedna buňka může vyrůst milion buněk za něco málo přes 24 hodin. A milion buněk je více než dost pro různé experimenty.
2. Pekařské droždí se v každodenním životě používá všude – pravděpodobně se vám také v kuchyňské skříni povaluje balíček značkového droždí. Pro člověka však většinou nepředstavují žádnou hrozbu. Byly však popsány i vzácné případy „útoku“ pekařského droždí na lidi s oslabeným imunitním systémem [1].
3. Obrovskou výhodou pekařských kvasnic je, že mají neustále aktivní homologní rekombinační systém. Dvouřetězcová DNA, která vstupuje do cytoplazmy buňky, má tedy velkou šanci, že bude integrována do jejího genomu. To značně zjednodušuje úkol získávání všech druhů mutantů na bázi kvasinek a jejich další studium. V moderním světě se život ještě zjednodušil: můžete si koupit kolekci kmenů, ve kterých jsou například vyřazeny všechny neživotní geny nebo je ke každému genu připojen fluorescenční proteinový gen.
4. Další výhodou kvasinek jako modelového objektu je jejich životní cyklus: pekařské droždí je schopné vegetativního rozmnožování s jednou (1n) i dvojitou (2n) sadou chromozomů (obr. 2). To je velmi výhodné pro studium funkce genu: v haploidních buňkách stačí vymazat (vyřadit) jednu kopii genu, abyste viděli, jak kvasinky žijí bez něj! Asi 5000 6000 z 1000 2 genů není pro život nezbytných, ale delece kteréhokoli ze zbývajících XNUMX XNUMX genů je neslučitelná s buněčným životem. Pravděpodobně hlavním přínosem kvasinek pro biologii je to, že pomohly určit mnoho asociací fenotypů s genotypy (tedy jak přítomnost či nepřítomnost konkrétního genu ovlivňuje vlastnosti živé buňky) [XNUMX]. A to je nejdůležitější úkol genetiky.
5. Nakonec se i přes jejich povrchní rozdíly ukazuje, že kvasinky jsou v mnoha ohledech docela podobné lidem! Poslední společný předek hub a lidí žil asi před miliardou let [3]. Během této doby se v nukleotidových sekvencích genů v důsledku mutací, náhodného driftu a selekce nashromáždilo poměrně mnoho rozdílů: aminokyselinová sekvence lidských proteinů a odpovídajících kvasinkových proteinů se shodují (přibližně) z jedné třetiny. Pokud však vezmeme životně důležitý kvasinkový gen, odstraníme jej z genomu a místo něj přidáme odpovídající (paralogní) lidský gen, pak v polovině případů mohou kvasinky žít téměř tak, jako by se nic nestalo [4]. Jinými slovy, polovina kvasinkových genů je zaměnitelná s lidskými geny a proteiny kódované v těchto genech plní stejnou funkci až do jednotlivých mechanických detailů!

Výhody droždí se neomezují pouze na výše uvedené. Pekařské droždí je fakultativně anaerobní a daří se mu glykolýza, pokud jeho mitochondrie přestanou plnit své funkce přeměny energie. To umožňuje studovat kmeny, u kterých jsou narušeny geny nezbytné pro fungování mitochondrií [5]. Práce se zvířecími buňkami mutantními pro tyto geny, které jsou vysoce závislé na buněčném dýchání, je mnohem obtížnější. Například právě v pekařských kvasnicích byly objeveny proteiny zodpovědné za dělení a splynutí mitochondrií. Kromě toho jsou kvasinky jediným jaderným organismem, který může specificky modifikovat mitochondriální DNA. Konečně, S.cerevisiae, i když s řadou omezení, se používají jako model pro studium patogenních hub [6].

Ve skutečnosti kvasinky potřebují kyslík nejen pro dýchání: biosyntézu ergosterol (houbový analog lidského cholesterolu) v kvasinkách zahrnuje několik reakcí s molekulárním kyslíkem. V podmínkách anaerobiózy ztrácejí kvasinky nejen schopnost oxidativní fosforylace, ale i schopnost samostatně syntetizovat ergosterol (a proto jsou nuceny jej zachytávat z prostředí).

Speciální projekt “ vypráví o důležité roli mitochondrií v životě živočišné buňky a nemocech spojených s dysfunkcí těchto buněčných energetických rostlin.Bioenergie“. – Vyd.

Naše silné stránky jsou však často pokračováním našich nedostatků. Takže pekařské droždí má řadu úžasných vlastností, které je výrazně odlišují od ostatních eukaryot. Mnoho z těchto rysů se objevilo kvůli vysoké rychlosti štěpení. Například pro pekařské droždí je charakteristická uzavřená mitóza, při které nedochází k destrukci jaderné membrány při dělení buněk. Pouze malá část genů v jádře obsahuje introny (to je také adaptace na vysokou rychlost dělení), ale mitochondriální geny mají v intronech zabudované introny a dokonce i nukleázové geny a samotná mitochondriální DNA není kruhová (jako u lidí ), ale. nikdo dodnes pořádně neví, který. Velkou otázkou je, zda bychom si kvásek vzali za vzor, ​​kdybychom všechny tyto zázraky znali předem!

Pekařské kvasinky se staly prvním eukaryotickým organismem, u kterého byla kompletně přečtena sekvence jaderné DNA [7]. S velkou pravděpodobností budou také prvním eukaryotickým organismem se syntetickým (zcela přepsaným lidmi) genomem. Mezinárodní konsorcium laboratoří postupně nahrazuje sekvenci DNA kvasinek sekvencí silně upravenou člověkem [8]. Zde jsou jen některé z prováděných úprav:

1. Všechny duplikované geny a introny jsou odstraněny.
2. „Uvolňují“ jeden stop kodon (udělají ho tak, aby se nikdy nevyskytoval v genomu). V budoucnu by tento kodon mohl sloužit k integraci nových aminokyselin do proteinů [9]!
3. Markery jsou umístěny v celém genomu, takže později snadno pochopíte, o jakou část genomu se jedná.

Ale samozřejmě důležité sekvence zůstávají nedotčeny. Několik z 16 kvasinkových chromozomů tedy již bylo kompletně „přepsáno“ [10]. Po dokončení projektu budeme mít první umělý (samozřejmě jen do určité míry) eukaryotický modelový objekt, který je optimalizován pro laboratorní výzkum.

Zatímco syntetické kvasinky se v laboratořích teprve konstruují, výzkumníci používají kmeny pekařských kvasnic, které se již výrazně liší jak od průmyslových kmenů, tak od jejich „divokých“ předků z Číny. (Ano! Podle posledních informací je centrem původu pekařského droždí Čína [11].) Co bylo třeba udělat s pekařským droždím, aby se z něj stal skutečně vhodný modelový objekt?

1. Za prvé, většina laboratorních kmenů obsahuje mutace ve flokulinovém genu (kvasinkové intercelulární adhezní proteiny), a proto nejsou schopny tvořit velké extracelulární agregáty [12]. To je pochopitelné: tyto agregáty narušují studium buněk, protože uvnitř každého agregátu vznikají jedinečné podmínky a dodávání látek hluboko do agregátu je obtížné.
2. Za druhé, v laboratorních kmenech jsou obvykle narušeny geny pro biosyntézu určitých aminokyselin a dusíkatých bází a bez jejich zavedení do média takové kvasinky prostě nebudou moci růst. Toto omezení (auxotrofie) značně usnadňuje selekční postupy, které obvykle doprovázejí genetickou manipulaci s kvasinkami.
3. Konečně u laboratorních kmenů je vypnuta možnost spontánní změny typu páření u haploidních kmenů (u hub se obvykle nerozlišuje pohlaví, ale „typ páření“)! „Divoká“ kvasinka je schopna intrachromozomální genové konverze, která vede ke spontánní změně typu páření. Tato vlastnost téměř znemožňuje stabilní udržování haploidních kmenů v kultuře: pokud udržujete kulturu haploidních buněk jednoho typu páření, dříve nebo později jedna z buněk změní typ páření a zkříží se s jinými, čímž vznikne diploidní buňka. Výsledkem je, že buněčná kultura skončí se směsí haploidních a diploidních kmenů, což způsobí zmatek. Laboratoře proto nyní pracují s kmeny, u kterých je narušen gen zodpovědný za změnu typu páření!

GIF pomáhá dělat první kroky

Přítomnost spontánních změn v typu páření v pekařských kvasnicích poněkud bránila jejich vědeckému použití na úsvitu genetiky. První studie, které umožnily propojit vědu o dědičnosti (genetice) se znalostí biochemických procesů probíhajících v živých organismech, byly proto provedeny pomocí jiné modelové houby – Neurospora crassa (neurospory jsou tlusté). Stejně jako pekařské droždí je Neurospora vačnatou houbou, jejíž většina životního cyklu je strávena v haploidním stavu (s jedinou sadou chromozomů). Neurospora tvoří mycelium, jehož růst může být poučný pro pozorování (cm. video). Na rozdíl od pekařských kvasnic haploidní mycelium Neurospora crassa neschopné změnit typ páření.

Neurospora byla rychle vytlačena z výzkumných laboratoří pekařským droždím. Ukázalo se, že práce s jednotlivými kvasinkovými buňkami je jednodušší než práce s hyfami neurospor, které navíc neustále tvoří těkavé nepohlavní spory! Neurospora však i po objevení kvasinek posloužila jako základ pro řadu objevů: s její pomocí jako modelového objektu byly publikovány důležité práce o genové konverzi, cirkadiánních rytmech a polarizaci buněk v rostoucích hyfách.

. Nyní existují dva celé periodické vědecké časopisy věnované kvasinkám: kvasnice и Výzkum kvasinek. To není překvapivé s ohledem na jejich minulé i současné vědecké úspěchy (obr. 4). Dříve byly články o kvasinkách často publikovány v botanických časopisech [15] a i nyní se biologie hub studuje v rámci kurzu botaniky. Houby však mají blíže ke zvířatům než k rostlinám! Houby tedy nejsou příliš dobrým modelem pro studium rostlin: rostliny mají svůj vlastní model – malý rhizoidní druh Tal. Možná ji znáte pod názvem Arabidopsis. Ale i když jste se s tím nesetkali, počkejte do příštího měsíce!

Literatura

1. Roberto Pérez-Torrado, Amparo Querol. (2016). Oportunní kmeny Saccharomyces cerevisiae: Potenciální riziko prodávané v potravinářských výrobcích. Přední. Microbiol.. 6;
2. David Botstein, Gerald R. Fink. (2011). Kvasinky: Experimentální organismus pro biologii 21. století. Genetika. 189695-704;
3. E. J. P. Douzery, E. A. Snell, E. Bapteste, F. Delsuc, H. Philippe. (2004). Načasování eukaryotické evoluce: Slučují uvolněné molekulární hodiny proteiny a fosilie?. Sborník Národní akademie věd. 10115386-15391;
4. A. H. Kachroo, J. M. Laurent, C. M. Yellman, A. G. Meyer, C. O. Wilke, E. M. Marcotte. (2015). Systematická humanizace kvasinkových genů odhaluje konzervované funkce a genetickou modularitu. Věda. 348921-925;
5. Denichiro Otsuga, Brian R. Keegan, Ellen Brisch, John W. Thatcher, Greg J. Hermann, et. al.. (1998). Dynamin-příbuzná GTPáza, Dnm1p, řídí mitochondriální morfologii v kvasinkách. Journal of Cell Biology. 143333-349;
6. Liesbeth Demuyser, Patrick Van Dijck. (2019). Dokáže Saccharomyces cerevisiae udržet krok jako modelový systém ve výzkumu citlivosti na azoly hub?. Aktualizace lékové rezistence. 4222-34;
7. 12 metod na obrázcích: sekvenování nukleových kyselin;
8. Syntetický chromozom;
9. Rozšířený genom;
10. Genom syntetických kvasinek (zvláštní vydání). (2017). Věda. 355;
11. Jackson Peter, Matteo De Chiara, Anne Friedrich, Jia-Xing Yue, David Pflieger a další. kol.. (2018). Evoluce genomu napříč 1,011 XNUMX izoláty Saccharomyces cerevisiae. Příroda. 556339-344;
12. Elementy: „Složité kolonie pekařského droždí“;
13. D. D. Perkins, R. H. Davis. (2002). Neurospora Chronology 1843-2002. Zprávy o houbové genetice. 494-8;
14. G. W. Beadle, E. L. Tatum. (1941). Genetická kontrola biochemických reakcí v neurosporách. Sborník Národní akademie věd. 27499-506;
15. FV Hereward. (1974). Cytoplazmatické mikrotubuly v kvasinkách. Závod. 117355-360;
16. E. L. Tatum, G. W. Beadle. (1942). Genetická kontrola biochemických reakcí v Neurospoře: Mutant „bez aminobenzoové kyseliny“. Sborník Národní akademie věd. 28, 234-243.

Komentáře

Podpořte nás ve věci vzdělávání

Biomolecule vypráví více o biologii a medicíně – v současnosti máme na našem webu několik tisíc článků. Pokud se vám naše stránky líbí a chcete, aby fungovaly i nadále, podpořte nás přiměřenou částkou – jednorázově nebo měsíčně. Preferuji měsíční platby Podpora

Použití materiálů stránek je povoleno pouze v případě, že existuje aktivní odkaz na zdroj. Všechna práva k obrázkům a textům náleží jejich autorům.

• O projektu
• autoři
• Pobočky
• Informační partneři
• Pomozte projektu
• Napište nám
• Zásady ochrany osobních údajů