Bäcker- oder Knospenhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist seit langem ein beliebter Modellorganismus für die biologische Grundlagenforschung. Im Labor ist es leicht zu manipulieren, kann eine Vielzahl von Umweltbedingungen bewältigen und steuert die Zellteilung ähnlich wie unsere Zellen. 1996 war es der erste eukaryotische Organismus, dessen Genom sequenziert wurde.
Hefe war der erste eukaryotische Organismus, dessen Genom sequenziert wurde.
Seit der Entdeckung der Bäckerhefe wurden jedoch andere Hefen mit ebenso nützlichen Eigenschaften gefunden.
Hefechromosomen teilen eine Reihe wichtiger Merkmale mit menschlichen Chromosomen.
Spalthefe (Schizosaccharomyces pombe) ist zu einem beliebten System zur Untersuchung von Zellwachstum und -teilung geworden. Es ist zum Teil nützlich, weil es einfach und kostengünstig im Labor zu züchten ist, aber auch, weil seine Zellen eine regelmäßige Größe haben und nur in der Länge wachsen, was es sehr einfach macht, das Zellwachstum aufzuzeichnen. Fission Hefe Chromosomen teilen eine Reihe von wichtigen Funktionen mit menschlichen Chromosomen, so dass der Organismus ein sehr nützliches Modell in der Humangenetik. Das S. die Pombe-Genomsequenz wurde 2002 veröffentlicht.
Fission Hefe
Bildnachweis: David O’Morgan (Der Zellzyklus. Grundsätze der Kontrolle.) , via Wikimedia Commons
Wie sind Menschen und Hefe ähnlich?
Ein wichtiges Merkmal dieser Hefen, das sie zu nützlichen Organismen für die Untersuchung biologischer Prozesse beim Menschen macht, ist, dass ihre Zellen wie unsere einen Kern haben, der DNA enthält, die in Chromosomen verpackt ist.
Die meisten Stoffwechsel- und Zellwege, von denen angenommen wird, dass sie beim Menschen vorkommen, können in Hefe untersucht werden. Zum Beispiel hat die Untersuchung von Signalproteinen in Hefe unser Verständnis der Entwicklung von Gehirn und Nervensystem verbessert.
Hefezellen teilen sich ähnlich wie unsere eigenen Zellen. Tatsächlich wurde festgestellt, dass viele der Gene, die die Zellteilung in Hefe regulieren, Äquivalente haben, die die Zellteilung in höheren Organismen, einschließlich Menschen, steuern.
Die Hefegenome S. cerevisiae und S. pombe haben etwas mehr als 12 Millionen Basenpaare.
Sowohl das S. cerevisiae- als auch das S. pombe-Hefegenom haben etwas mehr als 12 Millionen Basenpaare. S. cerevisiae hat rund 6.000 Gene, während S. pombe etwas mehr als 5.000 hat. Mindestens 20 Prozent der menschlichen Gene, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle bei Krankheiten spielen, haben funktionelle Äquivalente in Hefe. Dies hat gezeigt, dass viele menschliche Krankheiten auf die Störung sehr grundlegender zellulärer Prozesse zurückzuführen sind, wie DNA-Reparatur, Zellteilung, Kontrolle der Genexpression und Interaktion zwischen Genen und Umwelt.
Es bedeutet auch, dass Hefe verwendet werden kann, um die Humangenetik zu untersuchen und neue Medikamente zu testen. Tausende von Medikamenten können an Hefezellen getestet werden, die das funktionelle Äquivalent mutierter menschlicher Gene enthalten, um festzustellen, ob die Medikamente die normale Funktion wiederherstellen können. Diese Verbindungen oder Moleküle wie sie könnten dann mögliche Behandlungen beim Menschen sein. Obwohl es wichtig ist zu sagen, dass dies nicht für alle Medikamente der Fall ist, gibt es eine starke Begründung, andere Modellorganismen sowie Hefe in der Medikamentenentwicklung zu verwenden.
Hefestudien
Zwischen 2001 und 2013 wurden vier Nobelpreise für Entdeckungen in der Hefeforschung vergeben.
Hefe ist ein leistungsfähiger Modellorganismus, der ein besseres Verständnis der menschlichen Biologie und Krankheit ermöglicht hat. Zwischen 2001 und 2013 wurden vier Nobelpreise für Entdeckungen in der Hefeforschung vergeben, eine beeindruckende Zahl für einen einzelnen Organismus.
Das Genom der S. cerevisiae-Hefe wurde 1996 und die S. pombe-Sequenz 2002 veröffentlicht. Infolgedessen wurden Projekte initiiert, um die Funktionen aller Gene in diesen Genomen zu bestimmen. Ein solches Projekt, das Saccharomyces Genome Deletion Project, zielte darauf ab, mutierte Hefestämme herzustellen, in denen jedes der 6.000 Gene in Hefe mutiert ist. Daraus erhoffte man sich, dass die genaue Funktion jedes Gens identifiziert werden konnte.
Saccharomyces cerevisiae unter DIC-Mikroskopie
Bildnachweis: Masur – Eigene Arbeit. Licensed under Public domain via Wikimedia Commons
Weitere Projekte befassen sich mit der Hervorhebung der verschiedenen Proteininteraktionen, die in Hefezellen auftreten, um potenzielle Ziele für neue Medikamente zu identifizieren.
Hefe, der Zellzyklus und Krebs
In den letzten Jahrzehnten haben Wissenschaftler hart daran gearbeitet, alle Mutationen zu identifizieren, die beim Menschen Krebs verursachen. Viele der bisher gefundenen Mutationen sind in Genen enthalten, die in irgendeiner Weise an der Zellteilung und DNA-Replikation beteiligt sind. In vielen Fällen wurden diese Mutationen in anderen Spezies wie Hefe gefunden, bevor ihre Relevanz für den menschlichen Krebs erkannt wurde.
Im Jahr 2001 teilten sich Leland Hartwell, Paul Nurse und Tim Hunt den Nobelpreis für die Feststellung der Rolle verschiedener Gene bei der Kontrolle der Zellteilung.
Im Jahr 2001 teilten sich drei Wissenschaftler den Nobelpreis für ihre unabhängige Arbeit, die die Rolle verschiedener Gene bei der Steuerung des Zellzyklus untersuchte und den Zusammenhang zwischen dem Zellzyklus in Hefe und dem beim Menschen untersuchte. Diese drei Wissenschaftler waren Leland Hartwell, Paul Nurse und Tim Hunt.
Leland Hartwell, ein Biologe, war einer der ersten Wissenschaftler, der einige der an Krebs beteiligten Mutationen entdeckte. Er entschied, dass er einen einfachen, einzelligen, leicht manipulierbaren Organismus als Modellsystem für die Untersuchung von Krebs und die Kontrolle der Zellteilung wollte. S. cerevisiae Hefe passte perfekt zu den Kriterien. Durch seine Arbeit fand er heraus, dass die Gene, die am ‚Zellteilungszyklus‘ (CDC) in S. cerevisiae-Hefe beteiligt sind, auch beim Menschen in mehr oder weniger gleicher Kapazität gefunden wurden. Im Laufe seiner Karriere identifizierte Leland mehr als 100 Gene, die an der Kontrolle der Zellteilung beteiligt sind. Er fand heraus, dass in Krebszellen mutierte Gene, die normalerweise die Zellteilung stimulieren, wie Beschleuniger wirken, die in einem Auto feststecken. Inzwischen fand er heraus, dass mutierte Gene, die normalerweise für die Unterdrückung der Zellteilung verantwortlich sind, nicht mehr funktionieren, ähnlich wie fehlerhafte Bremsen.
Paul Nurse folgte Lelands Beispiel, diesmal jedoch mit S. pombe-Hefe, um die Kontrolle der Zellteilung zu untersuchen. Mitte der 1970er Jahre entdeckte er in S. pombe-Hefe ein Gen namens cdc2 und stellte fest, dass es eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle der Zellteilung spielt. 1987 fand er dann das äquivalente Gen beim Menschen, das später den Namen Cdk1 erhielt. Dies führte dann zur Entdeckung anderer CDK-Moleküle, die an der Steuerung der Zellteilung beim Menschen beteiligt sind.
In den frühen 1980er Jahren entdeckte Tim Hunt beim Studium von Seeigeln Cyclin, ein Protein, das bei jeder Zellteilung gebildet und dann abgebaut wird. Es wurde festgestellt, dass Cycline an die von Paul Nurse entdeckten CDK-Moleküle binden und sie während der Kontrolle der Zellteilung einschalten. Er zeigte auch, dass diese Cycline bei jeder Zellteilung abgebaut werden, ein Mechanismus, der sich als sehr wichtig für die Steuerung des Prozesses erwiesen hat.
Die Entdeckungen von Leland Hartwell, Paul Nurse, Tim Hunt und anderen, die Hefe als Modellorganismus verwendeten, haben wesentlich dazu beigetragen, eine universelle Sicht darauf zu entwickeln, wie die Zellteilung in eukaryotischen Zellen gesteuert wird. Dieses Verständnis hat breite Anwendungen in einer Reihe von verschiedenen Bereichen in der Biologie, einschließlich der Prävention, Diagnose und Behandlung von Krebs.
Von links nach rechts: Leland Hartwell, Paul Nurse und Tim Hunt.
Bildnachweis: Fred Hutch (links) und Anne-Katrin Purkiss, Wellcome Images (Mitte und rechts)
Hefe und Parkinson-Krankheit
Die Forschung mit S. cerevisiae als Modellorganismus hat Menschen mit Parkinson-Krankheit Hoffnung gegeben. Die Parkinson-Krankheit und andere neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Huntington sind durch eine Proteinfehlfaltung gekennzeichnet, die zum Aufbau toxischer Zellen im Zentralnervensystem führt.
Das Protein α-Synuclein aggregiert zu Lewy-Körpern, dem Markenzeichen von Erkrankungen wie Parkinson und Demenz.
Es ist bekannt, dass der zelluläre Aufbau des Proteins α-Synuclein das Risiko einer Person, an Parkinson zu erkranken, stark erhöht und auch Hefe beeinflusst. Erhöhte oder mutierte Formen von α-Synuclein verwüsten unsere Gehirnzellen. Dieses Protein aggregiert zu Lewy-Körpern, dem Markenzeichen von Erkrankungen wie Parkinson und Demenz, und führt folglich zu erheblichen Störungen zahlreicher neurologischer Prozesse. In ähnlicher Weise zeigen S. cerevisiae-Zellen, wenn sie so konstruiert sind, dass sie ein hohes Maß an α-Synuclein produzieren, Anzeichen von Schäden und ihr Wachstum wird langsamer.
S. cerevisiae-Zellen können als lebende Reagenzgläser verwendet werden.
Mit diesem Wissen konnten Wissenschaftler S. cerevisiae als wirksames Instrument zur Charakterisierung von Faktoren und Mechanismen nutzen, die die α-Synuclein-Toxizität regulieren. S. cerevisiae-Zellen können als lebende Reagenzgläser verwendet werden, um die Funktion von Verbindungen zu testen, die verwendet werden könnten, um die Auswirkungen von α-Synuclein auf Gehirnzellen umzukehren und damit Parkinson zu behandeln.
Mithilfe eines lebenden Organismus wie Hefe können Forscher die Auswirkungen eines Arzneimittels auf einen gesamten Organismus erkennen, der genetisch so verändert wurde, dass er den biochemischen Mechanismus einer beim Menschen vorkommenden Krankheit nachahmt.
Diese Seite wurde zuletzt aktualisiert am 2016-06-14