تكاثر الخميرة

على الرغم من كونها حقيقية النواة وحيدة الخلية وبسيطة، إلا أن Saccharomyces cerevisiae تُعد كائناً نموذجياً قيماً لأن عملياتها الخلوية، مثل الدورة الخلوية، تشبه تلك الموجودة في حقيقيات النواة من الرتب العليا، مثل البشر. وفي الدورة الخلوية للخميرة، يرتبط نمو الخلية وانقسامها ارتباطاً وثيقاً ويعتمدان على عوامل مثل تركيز العناصر الغذائية. وبناءً على الإشارات البيئية، يمكن للخميرة أن تخضع لتكاثر لا جنسي أو جنسي لإنتاج خلايا جديدة. سيعطيك هذا الفيديو نظرة عامة على الدورة الخلوية للخميرة والأشكال المختلفة للتكاثر في S. cerevisiae.

دعونا نراجع سريعاً معرفتنا بدورة الخلية. توجد مرحلتان رئيسيتان، وهما الطور البيني، الذي يتكون من الأطوار الفرعية G1 وS وG2؛ والطور M، أو الانقسام الفتيلى. وكما تعلمون، فإن الانقسام الفتيلى مكون مهم من مكونات انقسام الخلية، وتتميز الخميرة بأنها تنقسم بشكل غير متماثل عبر آلية للتكاثر اللاجنسي تُعرف بالتبرعم.

في طور G1، تلتزم الخلايا بدورة الخلية عند نقطة "START". تظهر البراعم خلال طور S وتستمر في النمو خلال بقية دورة الخلية، بما في ذلك الانقسام الفتيلى. وعند اكتمال انقسام السيتوبلازم، يؤدي الانقسام غير المتكافئ للسيتوبلازم إلى إنتاج خلية ابنة أصغر حجماً. ولسوء حظ الخلية الأم، تحدث ندبات مرئية في موقع انقسام الخلية. ولكن لحسن حظ العلماء، فإن الوسم الفلوري لمكون جدار الخلية "الكيتين" يسمح للباحثين بفحص نمط تبرعم خلية الخميرة وتقدير عدد المرات التي انقسمت فيها.

ستنمو الخلية المتكونة حديثاً في طور G1، في وجود العناصر الغذائية، حتى يتم استيفاء شروط معينة والوصول إلى نقطة تفتيش لدورة الخلية، أو نقطة تقييد تسمى "START". وبمجرد مرور الخلايا عبر نقطة "START"، فإنها تلتزم بما تبقى من دورة الخلية وستنقسم مرة أخرى. ومع ذلك، قبل الوصول إلى نقطة التفتيش هذه، يمكن للخميرة أن تخضع للانقسام الاختزالي والتكاثر الجنسي اللاحق.

الآن، لماذا قد يحتاج حقيقي النواة وحيد الخلية مثل الخميرة إلى الخضوع للتكاثر الجنسي؟

كما قد تكون تعلمت بالفعل، فإن التكاثر الجنسي هو وسيلة لإدخال التباين في مجموعة من الكائنات الحية، مما يعزز فرص البقاء.

إن نوع الخميرة الذي يتزاوج هو أحادي الصيغة الصبغية (haploids)، والتي تحتوي على نسخة واحدة من الجينوم، مثل خلايا البويضات أو الحيوانات المنوية. هناك نوعان من التزاوج أحادي الصيغة الصبغية، Mat a و Mat alpha، ويمكن لهذه الخلايا أن تبرعم وتتكاثر لاجنسياً، تماماً مثل الخميرة ثنائية الصيغة الصبغية.

يفرز كل نوع من أنواع التزاوج هذه فيرومونات؛ حيث يفرز Mat a "a factor" ويفرز Mat alpha "alpha factor". ويتم اكتشاف هذه الفيرومونات بواسطة أنواع التزاوج المعاكسة، مما يتسبب في تغيير شكل الخميرة أحادية الصيغة الصبغية من خلال الاستطالة والدخول في مرحلة "الشومو" (schmoo phase).

خلال هذه المرحلة، يستمر خليتان أحاديا الصيغة الصبغية في النمو باتجاه بعضهما البعض حتى يتم تحقيق تلامس خلوي. وينتج عن الاندماج الخلوي والنووي اللاحق تكوين الزيجوت (اللقاحة). ثم يعود الزيجوت الناشئ للدخول في دورة الانقسام الميتوزي، مما يؤدي إلى ظهور أول برعم ثنائي الصيغة الصبغية. وتظهر الزيجوتات كخلايا تشبه الدمبل، سواء كانت ببرعم أو بدونه.

قد تتساءل كيف يتم إنتاج الخلايا أحادية الصيغة الصبغية في المقام الأول. الإجابة بسيطة: الانقسام الميوزي. ربما تعلم بالفعل أنه بعد تضاعف كروموسومي أولي، فإن الانقسام الميوزي

ينتج عنه خلايا بنوية تحتوي على نصف عدد كروموسومات الخلية الأم. وعندما تتعرض الخميرة لظروف بيئية مرهقة، يحدث شكل من أشكال الانقسام الميوزي يعرف باسم التبوغ (sporulation).

خلال عملية التبوغ، يتم إنتاج أبواغ أحادية الصيغة الصبغية لكل نوع تزاوج، وتكون محتواة في هيكل غشائي متين يسمى الزق (ascus)، كما هو موضح هنا بالدوائر الصفراء. وعندما تتحسن الظروف البيئية، تتحرر الأبواغ من الزق. ومن هناك، تتطور أكثر إلى خلايا Mat a و Mat alpha أحادية الصيغة الصبغية وتمر بدورة التكاثر الجنسي مرة أخرى.

بعد أن أصبحت على دراية بتكاثر الخميرة، دعونا نلقي نظرة لنرى كيف يمكن تطبيق هذه العملية في دراسات إضافية.

يعد فهم تكاثر الخميرة جزءاً أساسياً في التجارب الجينية، على سبيل المثال، توليد سلالات من الخميرة تحتوي على طفرات متعددة. يمكنك في هذا الفيديو رؤية خلط سلالتين أحاديتي الصيغة الصبغية مختلفتين، Mat a و Mat alpha، على طبق أغار، والتحضين اللاحق للسماح بالتزاوج وتكوين الخلايا ثنائية الصيغة الصبغية. ثم يتم نقلها عن طريق الزراعة التكرارية (replica plating) إلى أوساط انتقائية تسمح فقط بنمو الخلايا ثنائية الصيغة الصبغية. بعد ذلك، يمكن تحفيز تكوين الأبواغ في الخلايا ثنائية الصيغة الصبغية في أوساط تفتقر إلى العناصر الغذائية، ثم يتم فصل الأبواغ أحادية الصيغة الصبغية الناتجة باستخدام الملاعب الدقيق (micromanipulator)، وزراعتها على طبق أغار في نمط مصفوفي. ويمكن تأكيد الأنماط الجينية أحادية الصيغة الصبغية عن طريق PCR أو النمو على أوساط انتقائية.

كما يمكن إجراء دراسات الشيخوخة من خلال فحص مدى الحياة التكاثري لخلايا الخميرة. ومدى الحياة التكاثري هو عدد عمليات التبرعم التي تمر بها الخلية خلال فترة حياتها. يمكن لخلية خميرة واحدة أن تنتج حوالي 30 برعماً قبل أن تموت. هنا، يمكنك رؤية استخدام الملاعب الدقيق لفصل خلية ابنة عن الخلية الأم من أجل تحليل مدى حياة الخميرة بمرور الوقت. وتتمثل البيانات الخام الناتجة عن تجربة مدى الحياة التكاثري في قائمة من الأرقام التي تقابل الخلايا البنات الناتجة عن كل خلية أم عند كل نقطة عمرية.

يمكن دراسة تطور مورفولوجيا الخلية كدالة للعمليات الخلوية، مثل تركيز البروتين، في خميرة التبرعم. ترى هنا تحضير الخلايا للفحص المجهري لتصور عيوب محددة خاصة بالنمط الظاهري. وفي هذا الفيديو بنظام التصوير الزمني (time-lapse)، تتكون براعم متعددة، مما يشير إلى فشل الخلايا في الانفصال عن بعضها البعض، وهو ما يوحي بوجود خلل في انقسام الخلايا.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE عن تكاثر خميرة Saccharomyces cerevisiae. لقد تحدثنا في هذا الفيديو عن دورة حياة خلية الخميرة وتطرقنا إلى دورات حياة التكاثر اللاجنسي والجنسي لهذا النوع. شكراً للمشاهدة، ولا تنسوا الـ shmoo الخاص بكم!