Eine Einführung in Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae, welche auch als Bäckerhefe bekannt ist, ist eine der vielen Modellorganismen, die in biologischen Labors weltweit verwendet werden. Da ihr Genom sequenziert ist, kann man die Bäckerhefe einfach genetisch verändern. Außerdem ist diese Art von Hefe einfach im Labor zu halten. Deshalb ist sie eine unschätzbar wertvolle Ressource gewesen, um fundamentale zelluläre Prozesse, wie die Zellteilung oder den Zelltod, zu verstehen. Dieses Video verschafft euch einen Überblick über diesen Modellorganismus und über die vielen Anwendungen in der biologischen und biomedizinischen Forschung.

Die Hefe gehört zu der Domäne der Eukaryota, welche Organismen umfasst, die membranumschlossene Zellkerne enthalten, und die damit auch als Eukaryoten bezeichnet werden. Genauso wie die Pilze und Schimmel, gehören sie zu dem Reich der Fungi, da sie eine Zellwand aus Chitin haben, also einem Polymer aus Polysaccharid, welches nicht nur in dem Reich der Fungi, sondern auch bei Insekten und Krustentieren vorkommt.

Interessanterweise findet man in Hefen viele Proteine mit ähnlichen Sequenzen wie die Proteine in anderen Eukaryoten. Diese Proteine sind oft homolog, und diese Ähnlichkeit in Sequenz bedeutet, dass diese Organismen einen gemeinsamen Vorgänger haben. Durch das Erforschen der Funktion eines Proteins in der Hefe können Forscher viel über die Funktion von Proteinen in höheren Eukaryoten, wie zum Beispiel uns Menschen, erfahren.

In der Natur tritt S. cerevisiae in warmen, feuchten Umgebungen auf, nicht weit weg von einer Zuckerquelle. Die Hefe trifft man gerne auf Weingütern an, wo sie auf der Haut der Weintrauben wächst.

S. cerevisiae hat eine ellipsoidische, oder eiförmige, Form, und ist normalerweise 5-10 µm im Durchmesser wenn man sie unter dem Hellfeldmikroskop anschaut.

Bei der Zellteilung durch Mitose und Zytokinese wird in den meisten eukaryotischen Zellen das genetische Material gleichwertig in das Zytoplasma der Tochterzellen aufgeteilt. Bei S. cerevisiae ist der Prozess der Zellteilung jedoch eine Knospung.

Diese Art der asexuellen Fortpflanzung beinhaltet die Bildung einer neu hergestellten Knospe aus der Mutterzelle, welche während des Zellzyklus bis hin zur Zytokinese immer größer wird. Ungleich der typischen eukaryotischen Zellteilung sind die zwei Zellen nach der Mitose jedoch nicht gleich groß.

Nun das wir etwas über S. cerevisiae als Organismus gelernt haben, erläutern wir weshalb die Hefe ein sehr guter Modellorganismus für die Forschung ist.

Erstens wächst die Hefe sehr schnell und teilt sich etwa alle 90 Minuten. Zweitens kann man die Zellen einfach kultivieren und braucht nur ziemlich einfache Verfahren und Geräte für deren Vermehrung. Drittens war S. cerevisiae der erste eukaryotische Organismus, dessen Genom sequenziert worden ist. Die Sequenzen sind öffentlich über die Hefe-Genomdatenbank verfügbar.

Die genetische Manipulation der Hefe ist auch recht praktisch. Die meisten S. cerevisiae Vektoren, also Träger der Sequenz, an der man interessiert ist, sind Shuttle-Vektoren. Shuttle-Vektoren sind normalerweise Plasmide, die in zwei verschiedenen Arten, wie zum Beispiel E. coli und S. cerevisiae, propagiert werden können. Das heißt dass die molekulare Klonierung in E.Coli ausgeführt werden kann, um beispielsweise ein grün fluoreszierendes Protein von einer Qualle in einen Shuttle-Vektor zu integrieren, welcher dann in die Hefe eingefügt werden kann, um diese zum Leuchten zu bringen.

Der integrative Hefeplasmid ist eine Art von Shuttle-Vektor, der es erlaubt Fremd-DNA in das Hefegenom durch homologe Rekombination einzufügen. Die homologe Rekombination ist ein Austausch von DNA zwischen gleichen oder ähnlichen Sequenzen, die in einen genetischen Crossover zwischen der Vektor DNA und der Wirts-DNA resultiert. Dadurch kann man ein Gen löschen, oder es mit einem anderen Gen austauschen. Da die homologe Rekombination zu der Integration der DNA in den Wirtsorganismus führt, wird die genetische Veränderung mit der Zellteilung weitergegeben.

Nun das ihr wisst, weshalb es so einfach ist Hefe zu untersuchen, schauen wir uns an weshalb diese Tierchen so wichtig für die Wissenschaft sind. Vor langer, langer Zeit, im 6. Jahrtausend vor Christi, hat man Hefe für die Gärung von Weintrauben zu Wein genutzt. Hefe hat dann auch später eine Rolle beim Brotbacken im alten Ägypten gespielt.

Es war jedoch nicht bis zum Jahr 1856, dass Luis Pasteur den Mikroorganismus, der für das Brotbacken und die Weinherstellung wichtig ist, identifiziert hat. Er hat Hefe als einen fakultativen Anaerobier klassifiziert, welcher, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, zu der Vergärung wechselt. Das ist ein Prozess in dem die Hefe Zucker metabolisiert und Alkohol als Nebenprodukt herstellt. Bei diesem Prozess wird das durch Glykolyse hergestellte Pyruvat zu Acetaldehyd reduziert, welches dann wiederum durch die Verwandlung von NADH in NAD+ zu Ethanol reduziert wird, also dem Inhalt, der den Wein ausmacht.

Im 20. Jahrhundert sind die Proteine, welche den Zellzyklus regulieren, durch Hartwell und Nurse in der Hefe entdeckt worden.

Der Zellzyklus ist eine Reihe von Ereignissen, zu denen die richtige Replikation und Verteilung der DNA im Zellkern vor der Zellteilung gehören. Die Entdeckung der Proteine Cyclin und der Cyclin-abhängigen Kinase, und deren relative Konzentrationsänderung während der Interphase und Mitose, hat darauf hingedeutet, dass diese Proteine wichtige Regler der Zellteilung sind. Die hoch konservierte Natur dieser Proteine bedeutet, dass deren Erforschung in Hefe nützlich ist, um zu verstehen wie die Cyclin-abhängigen Kinasen in multizellulären Organismen funktionieren. Außerdem kann die Deregulation des Zellzyklus, welche zu unkontrollierter Zellteilung, oder Krebs führen kann, besser verstanden werden.

15 Jahre später haben Blackburn, Greider und Szostak die bahnbrechende Entdeckung der Telomerase gemacht und unser Verständnis der Telomere weitreichend beeinflusst. Telomere sind sich wiederholende Sequenzen von DNA, die an den Enden von Chromosomen angebracht sind, und verhindern, dass die genomische DNA zerfällt. Das Anfügen dieser sich wiederholenden Sequenzen wird durch die Telomerase am 3’ überhängenden Ende des Chromosoms vorgenommen. Der komplementäre Strang wird durch die DNA Polymerase am Folgestrang aufgefüllt. Telomere spielen eine Rolle im Alterungsprozess und werden mit zunehmenden Alter des Organismus kürzer.

Im Jahr 1992 habe Ohsumi und Kollegen die Gene entdeckt, welche die Autophagozytose, also einer Art des zellulären Recyclings, regulieren. Wenn wenige Nährstoffe vorhanden sind, werden nicht dringend benötigte Organellen in einem Autophagosom eingeschlossen. Dieses Autophagosom verschmilzt dann mit einem Lysosom, um die organellen Proteine in ihre Aminosäurebestandteile zu zersetzen und neue Proteine herzustellen. Die Autophagozytose ist wichtig in zellulären Prozessen, welche die Zelle vor Tumorenwachstum schützt.

Es gibt eine große Menge von Anwendungen der Hefe in der Wissenschaft. Zum Beispiel kann die Hefe verwendet werden, um Mitophagie zu untersuchen, also die Beseitigung von beschädigten Mitochondrien durch Autophagosomen. Dieser Prozess ist bei Alzheimer und der Parkinson-Krankheit von Bedeutung.

In diesem Video wird die Autophagozytose in Hefezellen durch die Zugabe eines Stickstoffmangelmediums herbeigeführt. Danach werden die Zellen für die Fluoreszenzmikroskopie vorbereitet, womit man die Mitophagie in Zellen, die unter Stickstoffmangelbedingungen gewachsen sind, betrachten kann.

S. cerevisiae wird auch für die Expression und Aufreinigung von Proteinen, beispielsweise des cystic fibrosis transmembrane conductance Regulationsproteins (CFTR) der Mukoviszidose, benutzt. In diesem Video werden die Hefezellen, die ein CFTR Plasmid haben, in einem großen Volumen kultiviert. Danach werden die Zellen zentrifugiert, um die Mikrosomen zu isolieren. Mikrosomen sind künstliche Behältnisse, die von dem endoplasmatischen Retikulum gebildet werden wenn die Zellen zerstört werden. Die Isolation und die Aufreinigung von CFTR aus den Mikrosomen erlaubt es den Wissenschaftlern die Struktur dieses Proteins mittels der Röntgenstrukturanalyse zu bestimmen.

Hefe kann auch als Modellsystem für genetische Untersuchungen von humanen DNA Reparaturproteinen verwendet werden. Diese Proteine erkennen und reparieren kaputte DNA, um zu vermeiden dass Zellen, die sich vermehren, ein fehlerhaftes Genom weitergeben, wie in Krebszellen oft der Fall ist. Hier kann man sehen wie Wissenschaftler Hefezellen, die mit dem DNA Reparaturprotein WRN transformiert sind, auf Selektiermediumplatten kultivieren. Die Morphologie der WRN Mutanten kann mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie bestimmt werden, und das Protein kann mittels eines Proteingels für den Western Blot nachgewiesen werden.

Das war die Einführung in S. cerevisiae von JoVE. In diesem Video haben wir uns die Geschichte angeschaut, über die Zell und Molekularbiologie gesprochen, und erörtert welche Anwendungen es für S. cerevisiae gibt. Wir hoffen das Video hat euch gefallen und das ihr es teilt!