drożdże piekarskie (Saccharomyces cerevisiae) od dawna są popularnym organizmem modelowym do podstawowych badań biologicznych. W laboratorium jest łatwy do manipulowania, może poradzić sobie z szerokim zakresem warunków środowiskowych i kontroluje podział komórek w podobny sposób jak nasze komórki. W 1996 roku był to pierwszy organizm eukariotyczny, który zsekwencjonował swój genom.
drożdże były pierwszym organizmem eukariotycznym, który zsekwencjonował swój genom.
jednak od czasu odkrycia drożdży piekarskich stwierdzono, że inne drożdże mają równie użyteczne właściwości.
chromosomy drożdży mają wiele ważnych cech z chromosomami ludzkimi.
drożdże Rozszczepieniowe (Schizosaccharomyces pombe) stały się popularnym systemem do badania wzrostu i podziału komórek. Jest przydatny częściowo dlatego, że jest łatwy i tani w uprawie w laboratorium, ale także dlatego, że jego komórki mają regularny rozmiar i rosną tylko w długości, co bardzo ułatwia rejestrowanie wzrostu komórek. Chromosomy drożdży rozszczepienia mają wiele ważnych cech z chromosomami ludzkimi, co czyni organizm bardzo użytecznym modelem w ludzkiej genetyce. S. sekwencja genomu pombe ’ a została opublikowana w 2002 roku.
drożdże rozszczepienia
zdjęcie kredyt: David O ’ Organ (cykl komórkowy. Zasady kontroli.), via Wikimedia Commons
jak ludzie i drożdże są podobni?
ważną cechą tych drożdży, która czyni je tak użytecznymi organizmami do badania procesów biologicznych u ludzi, jest to, że ich komórki, podobnie jak nasze, mają jądro zawierające DNA pakowane w chromosomy.
większość szlaków metabolicznych i komórkowych, które prawdopodobnie występują u ludzi, można badać na drożdżach. Na przykład badanie białek sygnałowych w drożdżach pozwoliło nam lepiej zrozumieć rozwój mózgu i układu nerwowego.
komórki drożdży dzielą się w podobny sposób jak komórki własne. W rzeczywistości, stwierdzono, że wiele genów, które działają w celu regulacji podziału komórek w drożdży, mają odpowiedniki, które kontrolują podział komórek w organizmach wyższych, w tym ludzi.
genomy drożdży S. cerevisiae i S. pombe mają nieco ponad 12 milionów par zasad.
zarówno genomy drożdży S. cerevisiae, jak i S. pombe mają nieco ponad 12 milionów par zasad. S. cerevisiae ma około 6000 genów, podczas gdy S. pombe ma nieco ponad 5000. Co najmniej 20 procent ludzkich genów, o których wiadomo, że odgrywają rolę w chorobie, ma funkcjonalne odpowiedniki w drożdżach. Wykazano, że wiele chorób ludzkich wynika z zakłócenia bardzo podstawowych procesów komórkowych, takich jak naprawa DNA, podział komórek, Kontrola ekspresji genów i interakcja między genami a środowiskiem.
oznacza to również, że drożdże mogą być używane do badania ludzkiej genetyki i testowania nowych leków. Tysiące leków mogą być testowane na komórkach drożdży zawierających funkcjonalny odpowiednik zmutowanych genów ludzkich, aby sprawdzić, czy leki mogą przywrócić normalne funkcjonowanie. Związki te lub podobne do nich cząsteczki mogą być wtedy możliwymi metodami leczenia u ludzi. Chociaż ważne jest, aby powiedzieć, że nie dotyczy to wszystkich leków, więc istnieje silne uzasadnienie do wykorzystania innych organizmów modelowych, a także drożdży w rozwoju leków.
badania drożdży
W latach 2001-2013 przyznano cztery Nagrody Nobla za odkrycia związane z badaniami drożdży.
drożdże są potężnym organizmem modelowym, który umożliwił lepsze zrozumienie ludzkiej biologii i chorób. W latach 2001-2013 przyznano cztery Nagrody Nobla za odkrycia związane z badaniami nad drożdżami, co jest imponującą liczbą jak na jeden organizm.
Genom drożdży S. cerevisiae został opublikowany w 1996, a Sekwencja S. pombe w 2002. W rezultacie rozpoczęto projekty mające na celu określenie funkcji wszystkich genów w tych genomach. Jeden z takich projektów, projekt delecji genomu Saccharomyces, miał na celu wytworzenie zmutowanych szczepów drożdży, w których każdy z 6000 genów drożdży jest zmutowany. Na tej podstawie spodziewano się, że precyzyjna funkcja każdego genu może zostać zidentyfikowana.
Saccharomyces cerevisiae under DIC microscopy
Image credit: Masur – Own work. Inne projekty koncentrują się na różnych interakcjach białek zachodzących w komórkach drożdży w celu identyfikacji potencjalnych celów dla nowych leków.
drożdże, cykl komórkowy i rak
w ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy ciężko pracowali, aby zidentyfikować wszystkie mutacje, które powodują raka u ludzi. Wiele mutacji znalezionych do tej pory dotyczy genów, w pewien sposób związanych z podziałem komórek i replikacją DNA. W wielu przypadkach mutacje te zostały znalezione u innych gatunków, takich jak drożdże, zanim ich znaczenie dla raka u ludzi zostało zrealizowane.
W 2001 roku Leland Hartwell, Paul Nurse i Tim Hunt otrzymali Nagrodę Nobla za ustalenie roli różnych genów w kontrolowaniu podziału komórek.
w 2001 roku trzech naukowców podzieliło się Nagrodą Nobla za swoją niezależną pracę ustalającą rolę różnych genów w kontrolowaniu cyklu komórkowego i badającą związek między cyklem komórkowym u drożdży a cyklem komórkowym u ludzi. Tymi trzema naukowcami byli Leland Hartwell, Paul Nurse i Tim Hunt.
Leland Hartwell, biolog, był jednym z pierwszych naukowców, którzy odkryli niektóre mutacje związane z rakiem. Zdecydował, że chce prostego, jednokomórkowego, łatwo manipulowanego organizmu jako modelowego systemu do badania raka i kontroli podziału komórek. S. drożdże cerevisiae idealnie pasowały do kryteriów. W swojej pracy odkrył, że geny zaangażowane w „cykl podziału komórek” (CDC) u drożdży S. cerevisiae, zostały również Znalezione, w mniej więcej takiej samej pojemności, u ludzi. W trakcie swojej kariery Leland zidentyfikował ponad 100 genów zaangażowanych w kontrolę podziału komórek. Odkrył, że w komórkach nowotworowych zmutowane geny, które normalnie stymulują podziały komórek, zaczynają działać jak akceleratory przyklejone do samochodu. W międzyczasie odkrył, że zmutowane geny normalnie odpowiedzialne za hamowanie podziału komórek przestają działać, podobnie jak niesprawne hamulce.
Paul Nurse poszedł za przykładem Lelanda, ale tym razem używając drożdży S. pombe do zbadania kontroli podziału komórek. W połowie lat 70. odkrył w drożdżach S. pombe gen o nazwie cdc2 i odkrył, że odgrywa on kluczową rolę w kontrolowaniu podziału komórek. W 1987 roku odkrył u ludzi odpowiednik genu, któremu później nadano nazwę Cdk1. Doprowadziło to do odkrycia innych cząsteczek CDK zaangażowanych w kontrolowanie podziału komórek u ludzi.
na początku lat 80., podczas badania jeżowców, Tim Hunt odkrył cyklinę, białko uformowane, a następnie rozkładane podczas każdego podziału komórki. Stwierdzono, że cykliny wiążą się z cząsteczkami CDK, odkrytymi przez Paula Nurse ’ a i włączają je podczas kontroli podziału komórek. Wykazał również, że cykliny te ulegają degradacji przy każdym podziale komórki, mechanizm okazał się mieć ogromne znaczenie dla kontrolowania procesu.
odkrycia Lelanda Hartwella, Paula Nurse ’ a, Tima Hunta i innych, wykorzystujących drożdże jako organizm modelowy, znacząco przyczyniły się do stworzenia uniwersalnego poglądu na to, w jaki sposób podział komórek jest kontrolowany w komórkach eukariotycznych. To zrozumienie miało szerokie zastosowanie w wielu różnych dziedzinach biologii, w tym w zapobieganiu, diagnostyce i leczeniu raka.
od lewej: Leland Hartwell, Paul Nurse i Tim Hunt.
: Fred Hutch (po lewej) i Anne-Katrin Purkiss, Wellcome Images (po prawej i środkowej)
drożdże i choroba Parkinsona
badania z wykorzystaniem S. cerevisiae jako organizmu modelowego dały nadzieję osobom z chorobą Parkinsona. Choroba Parkinsona i inne choroby neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera i Huntingtona, charakteryzują się nieprawidłowym składowaniem białek, co powoduje nagromadzenie toksycznych komórek w ośrodkowym układzie nerwowym.
białko α-synukleina agreguje się, tworząc ciała Lewy ’ ego, charakterystyczne dla chorób takich jak choroba Parkinsona i demencja.
komórkowe nagromadzenie białka, α-synukleiny, jest znane z tego, że znacznie zwiększa ryzyko rozwoju choroby Parkinsona u osoby, a także wpływa na drożdże. Podwyższone lub zmutowane formy α-synukleiny sieją spustoszenie w naszych komórkach mózgowych. Białko to agreguje się, tworząc ciała Lewy ’ ego, charakterystyczne dla chorób takich jak choroba Parkinsona i demencja, a w konsekwencji powoduje poważne zakłócenia w licznych procesach neurologicznych. Podobnie, gdy zmodyfikowano go w celu wytworzenia wysokiego poziomu α-synukleiny, komórki S. cerevisiae wykazują oznaki uszkodzenia, a ich wzrost staje się wolniejszy.
komórki S. cerevisiae mogą być używane jako żywe probówki.
wiedząc o tym, naukowcy byli w stanie wykorzystać S. cerevisiae jako skuteczne narzędzie do scharakteryzowania czynników i mechanizmów regulujących toksyczność α-synuklein. Komórki S. cerevisiae mogą być używane jako żywe probówki do badania funkcji związków, które można wykorzystać do odwrócenia wpływu α-synukleiny na komórki mózgu, a tym samym do leczenia choroby Parkinsona.
używając żywego organizmu, takiego jak drożdże, naukowcy są w stanie zobaczyć wpływ leku na cały organizm, który został genetycznie zmodyfikowany, aby naśladować biochemiczny mechanizm choroby występującej u ludzi.
ostatnia aktualizacja tej strony 2016-06-14