مقدمة عن Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae، والمعروفة أيضاً باسم خميرة الخباز، هي واحدة من الكائنات النموذجية العديدة التي تُدرس في المختبرات حول العالم. وبسبب تسلسل جينومها، وسهولة التلاعب بوراثتها، وسهولة تربيتها في المختبر، شكل هذا النوع من الخميرة مورداً لا يقدر بثمن في فهم العمليات الخلوية الأساسية مثل انقسام الخلايا وموت الخلايا. سيعطيك هذا الفيديو نظرة عامة على هذا الكائن النموذجي ونطاق تطبيقاته الواسع في الأبحاث البيولوجية والطبية الحيوية.

تنتمي الخمائر إلى نطاق حقيقيات النوى (Eukaryota)، الذي يتكون من كائنات ذات نوى محاطة بغشاء، وتعرف باسم حقيقيات النوى. وتنتمي S. cerevisiae، إلى جانب الفطريات والعفن، إلى مملكة الفطريات نظرًا لوجود جدار خلوي مكون من الكيتين، وهو بوليمر من السكريات المتعددة يوجد ليس فقط في الفطريات، بل وأيضًا في الهياكل الخارجية للحشرات والقشريات.

ومن المثير للاهتمام أن العديد من البروتينات الموجودة في الخميرة تشترك في تسلسلات مماثلة مع بروتينات من حقيقيات النوى الأخرى. وغالبًا ما تكون هذه البروتينات متجانسة، وتشير تسلسلاتها المتشابهة إلى أن هذه الكائنات تشترك في سلف مشترك. ومن خلال دراسة وظيفة بروتين معين في الخميرة، يكتسب الباحثون رؤية حول وظيفة هذا البروتين في حقيقيات النوى العليا، مثلنا نحن البشر.

في الطبيعة، توجد S. cerevisiae في البيئات الدافئة والرطبة، مع وجود مصدر للسكر في متناول اليد. ومن أكثر الأماكن المفضلة لتواجدها هي كروم العنب، حيث تعيش على قشر العنب.

تتخذ S. cerevisiae شكلًا بيضاويًا يتراوح بين المستدير والإهليلجي، وعادة ما يكون قطرها من 5-10 micrometers عند فحصها باستخدام مجهر الحقل المضيء.

عندما تنقسم معظم الخلايا حقيقية النوى عن طريق الانقسام الميتوزي وانقسام السيتوبلازم، يحدث توزيع متساوٍ للمادة الوراثية والسيتوبلازم في الخلايا الوليدة. ومن ناحية أخرى، تخضع S. cerevisiae لانقسام خلوي من خلال عملية تسمى التبرعم.

يتضمن هذا الشكل من التكاثر اللاجنسي تكوين برعم مُصنع حديثًا من الخلية الأم، والذي يزداد حجمه طوال الدورة الخلوية حتى يحدث انقسام السيتوبلازم. وبخلاف انقسام الخلايا حقيقية النوى النموذجي، لا تكون الخليتان متساويتين في الحجم بعد الانقسام الميتوزي.

بعد أن تعرفنا بشكل موجز على كائن S. cerevisiae، دعونا نناقش ما يجعله نظاماً نموذجياً رائعاً للأبحاث.

أولاً، تنمو خلايا الخميرة بسرعة وتنقسم كل 90 دقيقة تقريباً. ثانياً، يسهل استزراعها، ولا تتطلب سوى تقنيات وأجهزة بسيطة للإكثار. ثالثاً، وبما أنها أول كائن حقيقي النواة يتم تسلسل جينومه بالكامل، فإن جميع التسلسلات الجينية لـ S. cerevisiae متاحة للعامة عبر قاعدة بيانات جينوم الخميرة.

كما أن التلاعب الجيني في الخميرة عملي للغاية. ومعظم ناقلات S. cerevisiae، وهي الحوامل لتسلسل DNA المطلوب، هي ناقلات مكوكية. الناقلات المكوكية هي عادةً بلازميدات يمكنها التكاثر في نوعين مختلفين، مثل كل من E. coli و S. cerevisiae. وهذا يسمح بإجراء الاستنساخ الجزيئي في E. coli، كدمج جين البروتين الفلوري الأخضر من قنديل البحر في ناقل مكوكي، والذي يمكن إدخاله في الخميرة لجعلها تتوهج.

يعد بلازميد التكامل في الخميرة نوعاً من الناقلات المكوكية التي تسمح بدمج DNA غريب في جينوم الخميرة من خلال عملية تسمى إعادة التركيب المتماثل. إعادة التركيب المتماثل هي عملية تبادل لـ DNA بين تسلسلات متطابقة أو متشابهة، مما يؤدي إلى عبور جيني بين الناقل وDNA الجينومي للمضيف. ويمكن أن يتسبب ذلك في تعطيل جين معين، أو استبدال جين بآخر. بالإضافة إلى ذلك، وبما أن إعادة التركيب المتماثل تؤدي إلى التكامل في جينوم المضيف، فإن التغيير الجيني يستمر بعد انقسام خلية الخميرة.

الآن وبعد أن تعرفت على ما يجعل الخميرة ملائمة جداً للدراسة، دعونا نلقي نظرة على سبب الأهمية العلمية الكبيرة لهذه الكائنات الصغيرة. منذ زمن بعيد، وتحديداً في أوائل الألفية السادسة قبل الميلاد، شاركت الخميرة في تخمير العنب لصناعة النبيذ، ولاحقاً لعبت الخميرة دوراً في خبز الخبز في مصر القديمة.

ولم يتم تحديد S. cerevisiae كَميكروب أساسي في صناعة النبيذ وخبز الخبز إلا في عام 1856 على يد لويس باستور. وقد صنّف الخميرة على أنها كائن لاهوائي اختياري، حيث تتحول في غياب الأكسجين إلى عملية التخمر، وهي عملية تسمح للخميرة باستقلاب السكريات وتنتج الكحول كمنتج ثانوي. وفي هذه العملية، يتم اختزال البيروفات، الناتج عن تحلل السكر، إلى أسيتالدهيد، والذي يتم اختزاله بعد ذلك، بفضل تحويل NADH إلى NAD+، إلى إيثانول، وهو المكون الأساسي في النبيذ.

وبالانتقال إلى القرن العشرين، اكتشف هارتويل ونيرس في الخميرة البروتينات التي تنظم الدورة الخلوية.

الدورة الخلوية هي سلسلة من الأحداث الخلوية التي تشمل التضاعف والفصل السليم للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) النووي قبل انقسام الخلية. وقد أشار تحديد بروتين السيكلين والكيناز المعتمد على السيكلين، إلى جانب التغير في وفرتهما النسبية خلال الطور البيني والانقسام الفتيل، إلى أن هذه البروتينات هي منظمات رئيسية لانقسام الخلايا. إن الطبيعة المحفوظة للغاية لهذه البروتينات تجعل دراستها في الخميرة قيمة لفهم دور الكينازات المعتمدة على السيكلين في الكائنات متعددة الخلايا، مثل خلل تنظيم الدورة الخلوية، والذي يمكن أن يؤدي إلى انقسام خلوي غير منضبط، أو السرطان.

وبعد مرور 15 عاماً، قدم بلاكبيرن وغرايدر وسوزتاك دراسات رائدة في فهم التيلوميرات بالإضافة إلى اكتشاف التيلوميراز. التيلوميرات هي تتابعات متكررة من DNA في نهاية الكروموسوم تمنع تدهور DNA الجينومي. وتتم إضافة هذه التتابعات المتكررة بواسطة التيلوميراز عند الطرف الجانبي 3’ للكروموسوم، ويلي ذلك تكملة النيوكليوتيدات بواسطة DNA polymerase في الشريط المتأخر. وللتيلوميرات آثار على الشيخوخة حيث تقصر قطع DNA هذه طوال عمر الكائن الحي.

وفي وقت أقرب، وتحديداً في عام 1992، اكتشف أوسومي وزملاؤه الجينات المنظمة للالتهام الذاتي، وهو نوع من إعادة تدوير الخلايا. وأثناء نقص المغذيات، يتم ابتلاع العضيات غير الضرورية بواسطة الجسيم البلعمي الذاتي. ثم يندمج الجسيم البلعمي الذاتي مع الليزوسوم، من أجل زيادة تكسير بروتينات العضيات إلى أحماض أمينية أساسية لصنع بروتينات جديدة. ويشارك الالتهام الذاتي في الآليات الخلوية الهامة التي تحمي من مسببات الأمراض الغازية ونمو الأورام.

توجد مجموعة واسعة من التطبيقات لدراسة الخميرة. حيث يمكن استخدام الخميرة، على سبيل المثال، لدراسة عملية الميتوفاجي (mitophagy)، وهي عملية إزالة الميتوكوندريا التالفة بواسطة الأجسام البلعمية الذاتية. ولهذه العملية تداعيات في أمراض مثل الزهايمر وباركنسون. في هذا الفيديو، يتم تحفيز الالتهام الذاتي في خلايا الخميرة عن طريق إضافة وسط تجويع من النيتروجين. بعد ذلك، يتم تحضير الخلايا للمجهر الفلوري، وذلك لمراقبة الميتوفاجي في الخلايا التي تعاني من تجويع النيتروجين.

تُستخدم خميرة S. cerevisiae للتعبير عن كميات كبيرة من البروتينات وتنقيتهـا، مثل بروتين منظم التوصيل عبر الغشائي للتليف الكيسي (CFTR). في هذا الفيديو، تُزرع خلايا الخميرة التي تحمل بلازميد CFTR في مستنبتات كبيرة. بعد ذلك، يتم إجراء عملية طرد مركزي للخلايا من أجل فصل الميكروسومات. والميكروسومات هي حويصلات اصطناعية تتكون من الشبكة الإندوبلازمية عند تفتيت الخلايا. وسيتيح عزل وتنقية CFTR من الميكروسومات للعلماء دراسة بنية البروتين باستخدام طرق مثل حيود الأشعة السينية (x-ray crystallography).

يمكن استخدام الخميرة أيضاً كنظام نموذجي للدراسات الجينية لبروتينات إصلاح الحمض النووي البشري. تقوم هذه البروتينات بالكشف عن الحمض النووي التالف وإصلاحه لمنع تكاثر الخلايا التي تحمل جينوماً معيباً، مثل الخلايا السرطانية. ترون هنا الباحثين وهم يقومون بزراعة خلايا الخميرة التي تحمل بروتين إصلاح الحمض النووي المحول، WRN، على أطباق أوساط اختيارية. ويمكن تصوير المورفولوجيا الخلوية لطفرات WRN باستخدام المجهر الفلوري، كما يتم الكشف عن هذا البروتين في مستخلص الخلايا عن طريق تشغيل هلام البروتين لتحليله بواسطة لطخة ويسترن (Western Blot).

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE عن S. cereviae. راجعنا في هذا الفيديو: التاريخ، والبيولوجيا الخلوية والجزيئية، والتطبيقات الطبية الحيوية لـ S. cerevisiae. نأمل أن يكون الفيديو قد نال إعجابكم، ونشجعكم على مشاركته مع صديق.