Introduction à Saccharomyces cerevisiae

La Saccharomyces cerevisiae, communément appelée levure de boulanger, est l'un des nombreux organismes modèles étudiés en laboratoire à travers le monde. En raison de son génome séquencé, de sa génétique facilement manipulable et de son entretien facile en laboratoire, cette espèce de levure a été une ressource inestimable pour la compréhension des procédés cellulaires fondamentaux tels que la division et la mort cellulaire. Cette vidéo vous donnera un aperçu de cet organisme modèle et de son large domaine d'applications pour la recherche biologique et biomédicale.

La levure appartient au groupe des Eucaryotes, qui est composé des organismes dont le noyau est entouré d’une membrane nucléaire. Avec les champignons et les moisissures, la S. cerevisiae appartient au règne des Fungi en raison de la présence d'une paroi cellulaire constituée de chitine, un polymère de polysaccharide que l'on retrouve non seulement dans les champignons, mais aussi dans les exosquelettes d’insectes et crustacés.

Fait intéressant, de nombreuses protéines présentes dans la levure et celles de leurs compagnons eucaryotes ont des séquences similaires. Ces protéines sont souvent homologues et leurs séquences similaires indiquent un ancêtre commun. En étudiant la fonction d'une protéine de levure, les chercheurs acquièrent une connaissance approfondie de la fonction de cette protéine dans les eucaryotes supérieurs, tel que, pour nous, les humains.

A l’état naturel, la S. cerevisiae se trouve dans des environnements chauds et humides avec une source de sucre proche. L’un de ses endroits préférés est la vigne, où elle réside sur la peau du raisin.

Lors de son observation au microscope en champ clair, la S. cerevisiae a une forme ronde ou ellipsoïdale et généralement un diamètre de 5 à 10 micromètres.

Lorsque la plupart des cellules eucaryotes se divise par mitose et cytocinèse il y a un partage égal du matériel génétique et du cytoplasme dans les cellules filles. Dans le cas de la S. cerevisiae, la division cellulaire se fait par un procédé appelé bourgeonnement.

Cette forme de reproduction asexuée implique la formation d’un nouveau bourgeon synthétisé à partir de la cellule mère, qui grandit en taille suivant le cycle cellulaire jusqu’à la cytocinèse. Contrairement aux divisions cellulaires eucaryotes typiques, les deux cellules ne sont pas de tailles identiques après la mitose.

Maintenant que nous connaissons un peu mieux l’organisme des S. cerevisiae, discutons de ce qui en fait un excellent modèle pour la recherche.

Premièrement, les cellules de levure croissent rapidement et se divisent environ toutes les 90 minutes. Deuxièmement, elles sont faciles à cultiver et nécessitent uniquement des techniques et instruments simples pour se propager. Troisièmement, puisque la S. cerevisiae a été le premier organisme eucaryote dont le génome a été entièrement séquencé, toutes les séquences de ses gènes sont disponibles sur la base de données du génome des levures.

La manipulation génétique des levures est également extrêmement aisée. La plupart des vecteurs de la S. cerevisiae, porteurs d'une séquence d’ADN intéressante, sont des vecteurs navettes. Les vecteurs navettes sont généralement des plasmides qui peuvent se propager dans deux espèces différentes, tels que l’E. coli et la S. cerevisiae. Ceci permet d'effectuer le clonage moléculaire dans l’E. coli, par exemple pour incorporer le gène de la protéine fluorescent verte de la méduse dans un vecteur navette qui peut être introduit dans la levure afin de la rendre fluorescente.

Le plasmide intégratif de la levure est un type de vecteur navette qui permet l’intégration d’ADN étranger dans le génome de la levure par un procédé appelé la recombinaison homologue. La recombinaison homologue est un échange d’ADN entre des séquences complémentaires ou similaires qui conduit à un enjambement entre le vecteur et l’ADN génomique hôte. Cela peut entrainer l’élimination d’un gène ou l’échange d’un gène avec un autre. De plus, puisque la recombinaison homologue conduit à l’intégration dans le génome hôte, la modification génétique persiste après la division cellulaire de la levure.

Maintenant que vous savez ce qui rend la levure si propice à l'étude, voyons pourquoi ces petites créatures ont été si importantes scientifiquement. Il y a très, très longtemps, au début du 6ème millénaire avant JC, la levure était utilisée dans la fermentation des raisins pour produire du vin. L’Egypte ancienne s’est ensuite servit de la levure pour la fabrication du pain.

Ce n’est qu'en 1856 que Louis Pasteur a identifié la S. cerevisiae comme le microbe clé pour la fabrication du vin et du pain. Il classifia la levure comme un organisme à anaérobie facultative, qui, en absence d’oxygène, conduit à la fermentation, un procédé qui permet à la levure de métaboliser les sucres et générer de l’alcool comme produit dérivé. Dans ce procédé, le pyruvate, produit issu de la glycolyse, est réduit en acétaldéhyde qui lui, grâce à la conversion du NADH en NAD+, est ensuite réduit en éthanol, l’ingrédient déterminant du vin.

Au 20^ème siècle, Mr. Hartwell et Nurse découvrirent dans la levure les protéines qui régulent le cycle cellulaire.

Le cycle cellulaire est une série d’évènements cellulaires qui comprend la réplication exacte et la ségrégation de l’ADN nucléaire avant la division de la cellule. L’identification des protéines cycline et kinase cycline-dépendante, ainsi que le changement de leurs quantités relatives lors de l’interphase et de la mitose, suggéra que ces protéines sont des régulatrices clés de la division cellulaire. Le caractère très préservé de ces protéines rend leur étude dans la levure utile à la compréhension du rôle de la kinase cycline-dépendante dans les organismes multicellulaires, comme dans le dérèglement du cycle cellulaire qui peut conduire à une division cellulaire incontrôlée ou au cancer.

Quinze ans plus tard, Mmes Blackburn et Greider ainsi que Mr. Szoztak ont menés des études décisives dans la compréhension des télomères ainsi que la découverte des télomèrases. Les télomères sont des séquences répétitives d’ADN à l’extrémité d’un chromosome qui empêchent la dégradation de l’ADN. L’addition de ces séquences répétitives est réalisée par les télomèrases à l’extrémité 3’ du chromosome et l’appariement des nucléotides se poursuit grâce à l’ADN polymerase dans le brin retardé. Les télomères ont des implications dans le vieillissement puisque ces segments d’ADN raccourcissent durant la vie de l’organisme.

Plus récemment, Mr. Ohsumi et ses collègues ont découvert en 1992 les gènes régulant l’autophagie, une sorte de recyclage cellulaire. Lors de carence en nutriments, les organites sont digérés par un autophagosome. L’autophagosome fusionne alors avec un lysosome, afin de briser d'avantage les protéines des organites en acides aminés essentiels à la fabrication de nouvelles protéines. L’autophagie prend part à d’importants mécanismes cellulaires de protection contre la croissance tumorale.

L'étude de la levure a un vaste domaine d’applications.. Par exemple, la levure peut servir à l’étude de la mitophagie, qui est l’élimination de mitochondries défectueuses par les autophagosomes. Ce processus est impliqué dans les maladies telles qu’Alzheimer et Parkinson. Dans cette vidéo, l’autophagie est induite dans les cellules de levure par l'addition d'un milieu entrainant une privation d'azote. Les cellules sont ensuite préparées pour la microscopie à fluorescence afin d’observer la mitophagie des cellules carencées en azote.

La S. cerevisiae est utilisée pour exprimer et purifier de grandes quantités de protéines, par exemple la protéine régulatrice de la conductance transmembranaire de la fibrose kystique. Dans cette vidéo, des cellules de levure portant le plasmide CFTR sont cultivées en grande quantité. Les cellules sont ensuite centrifugées afin de séparer les microsomes. Les microsomes sont des vésicules artéfactuels formés par le réticulum endoplasmique lorsque les cellules sont détruites. L’isolation et la purification du CFTR à partir des microsomes permettent aux scientifiques l’étude de la structure de la protéine par des méthodes telles que la cristallographie à rayon X.

La levure peut également être utilisée comme modèle pour l’étude génétique des protéines de réparation de l’ADN humain... Ces protéines détectent et réparent l’ADN endommagé afin d’éviter la prolifération de cellules porteuses d’un génome défectueux, telles que les cellules cancéreuses. Ici, vous voyez les auteurs disposer des cellules de levure contenant la protéine de réparation de l’ADN transformé, WRN, sur des plaques de gélose sélectives. La morphologie cellulaire de mutants pour la protéine WRN peut être observée par microscopie à fluorescence et la détection de cette protéine dans le lysat cellulaire est effectuée en conduisant un gel de protéine pour analyse par Western Blot.

Vous venez de regarder l’introduction à la S. cerevisiae de JoVE. Dans cette vidéo, nous avons présenté l’histoire, la biologie cellulaire et moléculaire ainsi que les applications biomédicales de la S. cerevisiae. Nous espérons que vous avez passé un agréable moment et vous encourageons à partager cette vidéo avec vos amis.