Il lievito di panetteria o in erba (Saccharomyces cerevisiae) è stato a lungo un organismo modello popolare per la ricerca biologica di base. In laboratorio è facile da manipolare, può far fronte a una vasta gamma di condizioni ambientali e controlla la divisione cellulare in modo simile alle nostre cellule. Nel 1996, è stato il primo organismo eucariotico ad avere il suo genoma sequenziato.
Il lievito è stato il primo organismo eucariotico ad avere il suo genoma sequenziato.
Tuttavia, da quando è stato scoperto il lievito di panetteria, altri lieviti hanno proprietà ugualmente utili.
I cromosomi del lievito condividono una serie di caratteristiche importanti con i cromosomi umani.
Il lievito di fissione (Schizosaccharomyces pombe) è diventato un sistema popolare per lo studio della crescita e della divisione cellulare. È utile in parte perché è facile e poco costoso da coltivare in laboratorio, ma anche perché le sue cellule hanno una dimensione regolare e crescono solo in lunghezza, rendendo molto semplice registrare la crescita cellulare. I cromosomi del lievito di fissione condividono una serie di caratteristiche importanti con i cromosomi umani rendendo l’organismo un modello molto utile nella genetica umana. La S. la sequenza del genoma di pombe è stata pubblicata nel 2002.
Lievito di fissione
Credito di immagine: David O’Organ (il ciclo cellulare. Principi di controllo.), tramite Wikimedia Commons
In che modo gli esseri umani e il lievito sono simili?
Una caratteristica importante di questi lieviti che li rende tali organismi utili per lo studio dei processi biologici nell’uomo, è che le loro cellule, come la nostra, hanno un nucleo contenente DNA confezionato in cromosomi.
La maggior parte delle vie metaboliche e cellulari pensate per accadere in esseri umani, possono essere studiate in lievito. Ad esempio, lo studio delle proteine di segnalazione nel lievito ha avanzato la nostra comprensione dello sviluppo del cervello e del sistema nervoso.
Le cellule di lievito si dividono in modo simile alle nostre cellule. Infatti, è stato trovato che molti dei geni che lavorano per regolare la divisione cellulare nel lievito, hanno equivalenti che controllano la divisione cellulare in organismi superiori, compresi gli esseri umani.
I genomi di lievito S. cerevisiae e S. pombe hanno poco più di 12 milioni di coppie di basi.
Entrambi i genomi di lievito S. cerevisiae e S. pombe hanno poco più di 12 milioni di coppie di basi. S. cerevisiae ha circa 6.000 geni mentre S. pombe ne ha poco più di 5.000. Almeno il 20 per cento dei geni umani noti per avere un ruolo nella malattia hanno equivalenti funzionali nel lievito. Ciò ha dimostrato che molte malattie umane derivano dall’interruzione di processi cellulari di base, come la riparazione del DNA, la divisione cellulare, il controllo dell’espressione genica e l’interazione tra geni e ambiente.
Significa anche che il lievito può essere usato per studiare la genetica umana e per testare nuovi farmaci. Migliaia di farmaci possono essere testati su cellule di lievito contenenti l’equivalente funzionale di geni umani mutati per vedere se i farmaci possono ripristinare la normale funzione. Questi composti, o molecole come loro, potrebbero quindi essere possibili trattamenti negli esseri umani. Anche se, è importante dire che questo non è il caso per tutti i farmaci, quindi c’è una forte logica di utilizzare altri organismi modello così come il lievito nello sviluppo di farmaci.
Studi sui lieviti
Tra il 2001 e il 2013 sono stati assegnati quattro premi Nobel per le scoperte riguardanti la ricerca sui lieviti.
Il lievito è un potente organismo modello che ha permesso una migliore comprensione della biologia e della malattia umana. Tra il 2001 e il 2013 sono stati assegnati quattro premi Nobel per le scoperte che hanno coinvolto la ricerca sui lieviti, un numero impressionante per un singolo organismo.
Il genoma del lievito di S. cerevisiae è stato pubblicato nel 1996 e la sequenza di S. pombe nel 2002. Di conseguenza, sono stati avviati progetti per determinare le funzioni di tutti i geni in questi genomi. Uno di questi progetti, il Saccharomyces Genome Deletion Project, mirava a produrre ceppi mutanti di lievito in cui ognuno dei 6.000 geni nel lievito è mutato. Da ciò si sperava che la funzione precisa di ciascun gene potesse essere identificata.
Saccharomyces cerevisiae sotto microscopia DIC
Credito di immagine: Masur-Proprio lavoro. Sotto licenza di pubblico dominio tramite Wikimedia Commons
Altri progetti stanno cercando di evidenziare le diverse interazioni proteiche che si verificano nelle cellule di lievito per identificare potenziali bersagli per nuovi farmaci.
Lievito, ciclo cellulare e cancro
Negli ultimi decenni, gli scienziati hanno lavorato duramente per identificare tutte le mutazioni che causano il cancro negli esseri umani. Molte delle mutazioni trovate finora sono in geni coinvolti, in qualche modo, con la divisione cellulare e la replicazione del DNA. In molti casi queste mutazioni sono state trovate in altre specie, come il lievito, prima che la loro rilevanza nel cancro umano fosse realizzata.
Nel 2001, Leland Hartwell, Paul Nurse e Tim Hunt hanno condiviso il premio Nobel per aver stabilito il ruolo di diversi geni nel controllo della divisione cellulare.
Nel 2001, tre scienziati hanno condiviso il premio Nobel per il loro lavoro indipendente che stabilisce il ruolo di diversi geni nel controllo del ciclo cellulare e studia il legame tra il ciclo cellulare nel lievito e quello negli esseri umani. Questi tre scienziati erano Leland Hartwell, Paul Nurse e Tim Hunt.
Leland Hartwell, un biologo, è stato uno dei primi scienziati a scoprire alcune delle mutazioni coinvolte nel cancro. Decise che voleva un organismo semplice, unicellulare e facilmente manipolabile come sistema modello per studiare il cancro e il controllo della divisione cellulare. S. il lievito cerevisiae si adattava perfettamente ai criteri. Attraverso il suo lavoro ha scoperto che i geni coinvolti nel ‘ciclo di divisione cellulare’ (CDC) nel lievito di S. cerevisiae, sono stati trovati anche, più o meno nella stessa capacità, negli esseri umani. Nel corso della sua carriera, Leland ha continuato a identificare più di 100 geni coinvolti nel controllo della divisione cellulare. Ha scoperto che nelle cellule tumorali, i geni mutati che normalmente stimolano la divisione cellulare iniziano ad agire come acceleratori bloccati ‘ su ‘ in una macchina. Nel frattempo, ha scoperto che i geni mutati normalmente responsabili della soppressione della divisione cellulare smettono di funzionare, proprio come i freni malfunzionanti.
Paul Nurse ha seguito l’esempio di Leland, ma questa volta usando il lievito S. pombe per esplorare il controllo della divisione cellulare. A metà del 1970 ha scoperto un gene nel lievito di S. pombe chiamato cdc2 e ha scoperto che aveva un ruolo chiave nel controllo della divisione cellulare. Nel 1987 ha poi trovato il gene equivalente negli esseri umani che è stato poi dato il nome Cdk1. Ciò ha poi portato alla scoperta di altre molecole CDK coinvolte nel controllo della divisione cellulare negli esseri umani.
Durante i primi anni 1980, mentre studiava i ricci di mare, Tim Hunt scoprì la ciclina, una proteina formata e poi scomposta durante ogni divisione cellulare. È stato scoperto che le cicline si legano alle molecole CDK, scoperte da Paul Nurse, e le accendono durante il controllo della divisione cellulare. Ha anche dimostrato che queste cicline sono degradate ad ogni divisione cellulare, un meccanismo dimostrato di essere di enorme importanza per il controllo del processo.
Le scoperte di Leland Hartwell, Paul Nurse, Tim Hunt e altri che utilizzano il lievito come organismo modello, hanno contribuito in modo significativo alla generazione di una visione universale di come la divisione cellulare è controllata nelle cellule eucariotiche. Questa comprensione ha avuto ampie applicazioni in una serie di campi diversi in biologia, tra cui la prevenzione, la diagnosi e il trattamento del cancro.
Da sinistra a destra: Leland Hartwell, Paul Nurse e Tim Hunt.
Crediti immagine: Fred Hutch (a sinistra) e Anne-Katrin Purkiss, Wellcome Images (al centro e a destra)
Lievito e malattia di Parkinson
La ricerca che utilizza S. cerevisiae come organismo modello ha dato speranza alle persone con malattia di Parkinson. La malattia di Parkinson e altre malattie neurodegenerative come l’Alzheimer e l’Huntington sono caratterizzate da un errato ripiegamento delle proteine, con conseguente accumulo di cellule tossiche nel sistema nervoso centrale.
La proteina α-sinucleina si aggrega per formare corpi di Lewy, il segno distintivo di condizioni come il morbo di Parkinson e la demenza.
L’accumulo cellulare della proteina, α-sinucleina, è noto per aumentare notevolmente il rischio di una persona di sviluppare la malattia di Parkinson e si trova anche a influenzare il lievito. Forme elevate o mutate di α-sinucleina devastano le nostre cellule cerebrali. Questa proteina si aggrega per formare corpi di Lewy, il segno distintivo di condizioni come il morbo di Parkinson e la demenza, e di conseguenza causare gravi interruzioni a numerosi processi neurologici. Allo stesso modo, quando ingegnerizzati per produrre alti livelli di α-sinucleina, le cellule di S. cerevisiae mostrano segni di segni di danno e la loro crescita diventa più lenta.
Le cellule di S. cerevisiae possono essere utilizzate come provette viventi.
Sapendo questo, gli scienziati sono stati in grado di utilizzare S. cerevisiae come uno strumento efficace per caratterizzare fattori e meccanismi che regolano la tossicità dell’α-sinucleina. Le cellule di S. cerevisiae possono essere utilizzate come provette viventi per testare la funzione di composti che potrebbero essere utilizzati per invertire gli effetti dell’α-sinucleina sulle cellule cerebrali e quindi trattare il Parkinson.
Utilizzando un organismo vivente come il lievito, i ricercatori sono in grado di vedere l’impatto di un farmaco su un intero organismo che è stato geneticamente modificato per imitare il meccanismo biochimico di una malattia che si trova negli esseri umani.
Questa pagina è stata aggiornata l’ultima volta il 14/06/2016