מבוא לסכרומיצס סרביסיה

Saccharomyces cerevisiae, הידוע גם בשם שמרי אופה, הוא אחד האורגניזמים מודל רבים שנחקרו במעבדות בכל רחבי העולם. מכיוון שהגנום שלו כבר רצף, הגנטיקה שלו ניתנת למניפולציה בקלות, וקל לתחזק במעבדה, מין זה של שמרים היה משאב רב ערך בהבנת תהליכים תאיים בסיסיים כגון חלוקת תאים ומוות תאים. וידאו זה ייתן לך סקירה של אורגניזם מודל זה ואת מגוון רחב של יישומים במחקר ביולוגי וביו-רפואי.

שמרים שייכים לתחום אוקריוטה, המורכב מאורגניזמים עם גרעינים הקשורים לממברנה, המכונה אאוקריוטים. יחד עם פטריות ותבניות, S. cerevisiae שייך פטריות הממלכה בשל נוכחות של קיר תא עשוי כיטין, פולימר פוליסכריד שנמצא לא רק פטריות, אלא גם שלד חיצוני של חרקים וסרטנים.

מעניין, חלבונים רבים שנמצאו בשמרים חולקים רצפים דומים עם חלבונים מחבריהם אוקריוטים. חלבונים אלה הם לעתים קרובות הומולוגיים, והרצפים הדומים שלהם מצביעים על כך שהאורגניזמים חולקים אב קדמון משותף. על ידי חקירת התפקוד של חלבון נתון בשמרים, החוקרים מקבלים תובנה על תפקוד החלבון באאוקריוטים גבוהים יותר, כמונו, בני אדם.

בטבע, S. cerevisiae נמצא בסביבות חמות, לחות, עם מקור סוכר קרוב בהישג יד. אחד המקומות האהובים עליו הוא הכרם, שם הוא שוכן על עור ענבים.

S. cerevisiae יש צורה עגולה עד אליפסואידית ביצות והוא בדרך כלל 5-10 מיקרומטר קוטר כאשר דמיינו באמצעות מיקרוסקופ שדה בהיר.

כאשר רוב התאים האוקריוטים מתחלקים באמצעות מיטוזה וציטוקינזיס, יש הפרדה שווה של חומר גנטי וציטופלזם בתאי הבת. מצד שני, S. cerevisiae עובר חלוקת תאים באמצעות תהליך שנקרא ניצנים.

צורה זו של רבייה א-מינית כרוכה בהיווצרות ניצן מסונתז חדש מתא האם, הגדל בגודלו לאורך מחזור התא עד ציטוקינזיס. שלא כמו חלוקת תאים אאוקריוטית טיפוסית, שני התאים אינם שווים בגודלם בעקבות מיטוזה.

עכשיו שלמדנו קצת על S. cerevisiae כאורגניזם, בואו נדון במה שהופך אותו למערכת מודל נהדרת למחקר.

ראשית, תאי שמרים לגדול במהירות ולחלק בערך כל 90 דקות. שנית, הם קלים לצמיחה, וצריכים רק טכניקה פשוטה ומכשור להפצה. שלישית, בהיותה האורגניזם האוקריוטי הראשון שכל הגנום שלו רצף, ל- S. cerevisiae יש את כל רצפי הגנים שלה הזמינים לציבור דרך מסד הנתונים של הגנום השמרים.

מניפולציה גנטית של שמרים היא גם מעשית מאוד. רוב וקטורי S. cerevisiae, נשאים של רצף DNA של עניין, הם וקטורים מעבורת. וקטורים של מעבורת הם בדרך כלל פלסמידים שיכולים להתפשט בשני מינים שונים, כגון E. coli ו- S. cerevisiae. זה מאפשר שיבוט מולקולרי להתבצע ב E. coli, למשל לשלב את הגן עבור חלבון פלואורסצנטי ירוק ממדוזות לתוך וקטור מעבורת, אשר ניתן להציג שמרים כדי לגרום להם לזהור.

הפלסמיד האינטגרטיבי של השמרים הוא סוג של וקטור שאטל המאפשר שילוב של DNA זר בגנום השמרים באמצעות תהליך הנקרא רקומבינציה הומולוגית. רקומבינציה הומולוגית היא חילופי דנ"א בין רצפים תואמים או דומים, המביאים להצלבה גנטית בין הדנ"א הגנומי הווקטורי למארח. זה יכול לגרום גן להיות בנוקאאוט, או גן אחד להיות מוחלף עם אחר. בנוסף, מאז רקומבינציה הומולוגית גורמת לשילוב בגנום המארח, השינוי הגנטי נמשך לאחר שתא השמרים מתחלק.

עכשיו שאתם יודעים מה הופך שמרים לנוחים כל כך למחקר, בואו נסתכל מדוע היצורים הקטנים האלה היו כל כך חשובים מבחינה מדעית. לפני זמן רב, בתחילת האלף השישי B.C., שמרים היו מעורבים בתסיסה של ענבים כדי להפוך את היין. שמרים מאוחר יותר שיחקו תפקיד באפייה של לחם במצרים העתיקה.

רק בשנת 1856 זיהה לואיס פסטר את ס. סרביסיה כמיקרואורגניזם המפתח לייצור יין ואפייה בלחם. הוא סיווג שמרים כאנלרובה פקולטיבית, אשר, בהיעדר חמצן, עובר תסיסה, תהליך המאפשר שמרים לעכל סוכרים ומייצר אלכוהול כמוצר לוואי. בתהליך זה, pyruvate, אשר מיוצר על ידי גליקוליזה, מצטמצם acetylaldehyde, אשר לאחר מכן, בזכות ההמרה של NADH ל NAD +, מופחת אתנול, המרכיב המגדיר ביין.

קפיצה קדימה למאה ה -20, גילוי חלבונים המסדירים את מחזור התא נמצאו שמרים על ידי הארטוול ואחות.

מחזור התא הוא סדרה של אירועים תאיים הכוללים שכפול והפרדה נאותים של DNA גרעיני לפני שהתא מתחלק. זיהוי החלבון ציקלין וקינאז התלוי בציקלין, יחד עם השינוי בשפע היחסי שלהם באמצעות אינטרפאזה ומיטוזה, הציע כי חלבונים אלה הם רגולטורים מרכזיים של חלוקת התאים. הטבע השמור ביותר של חלבונים אלה הופך את המחקר שלהם בשמרים בעל ערך להבנת תפקידם של קינאזים תלויי ציקלין באורגניזמים רב תאיים, כגון dysregulation של מחזור התא, אשר יכול להוביל חלוקת תאים בלתי מבוקרת, או סרטן.

ב-15 השנים האחרונות, בלקבורן, גריידר ו-Szostak עשו מחקרים פורצי דרך בהבנת הטלומרים, כמו גם בגילוי טלומרסים. טלומרים הם רצפים חוזרים ונשנים של דנ"א בסוף כרומוזום שמונעים מהדנ"א הגנומי להתנוון. התוספת של רצפים חוזרים אלה מתבצעת על ידי טלומרסים בקצה האגף 3 'של הכרומוזום, והשלמת נוקלאוטידים מלווה פולימראז DNA בגדיל הפיגור. לטלומרים יש השלכות בהזדקנות מכיוון שמקטעי הדנ"א האלה מתקצרים במהלך חייו של אורגניזם.

אפילו לאחרונה, בשנת 1992, אוסומי ועמיתיו גילו גנים המסדירים אוטופגיה, מעין מיחזור תאים. במהלך רעב תזונתי, אברונים מתכלים נבלעים על ידי אוטופגוזום. לאחר מכן, האוטופגוזום יתמזג עם ליזוזום, על מנת לפרק עוד יותר חלבונים אורגניים לחומצות אמינו החיוניות לייצור חלבונים חדשים. Autophagy מעורב מנגנונים תאיים חשובים המגינים מפני פתוגנים פולשים וגידול.

ישנם מגוון רחב של יישומים לחקר שמרים. שמרים יכולים, למשל, לשמש כדי ללמוד מיטופגיה, שהיא הסרת המיטוכונדריה הפגועה על ידי autophagosomes. לתהליך זה יש השלכות על מחלות כגון אלצהיימר ופרקינסון. בסרטון זה, autophagy מושרה בתאי שמרים עם תוספת של מדיום הרעבת חנקן. לאחר מכן, תאים מוכנים למיקרוסקופיה פלואורסצנטית, על מנת להתבונן במיטפגיה בתאים מורעבים חנקן.

S. cerevisiae משמש כדי לבטא ולטהר כמויות גדולות של חלבונים, למשל חלבון רגולטורי מוליכות transmembrane סיסטיק פיברוזיס. בסרטון זה, תאי שמרים הנושאים את פלסמיד CFTR גדלים בתרביות גדולות. לאחר מכן, צנטריפוגה של התאים מתבצעת על מנת להפריד את microsomes. מיקרוזומים הם כלי חפצים שנוצרו מהרטיקולום האנדופלסמי כאשר תאים משובשים. בידוד וטיהור של CFTR ממיקרוזומים יאפשרו למדענים לחקור את מבנה החלבון באמצעות שיטות כגון קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן.

שמרים יכולים לשמש גם כמערכת מודל למחקרים גנטיים של חלבוני תיקון DNA אנושיים. חלבונים אלה מזהים ומתקנים דנ"א פגום על מנת למנוע התפשטות של תאים הנושאים גנום פגום, כגון תאים סרטניים. כאן אתה רואה מחברים ציפוי תאי שמרים עם חלבון תיקון DNA השתנה, WRN, על לוחות מדיה סלקטיבית. מורפולוגיה של תאים של מוטציות עבור WRN ניתן לדמיין באמצעות מיקרוסקופיה פלואורסצנטית, וזיהוי של חלבון זה בליסאט התא מתבצע על ידי הפעלת ג'ל חלבון לניתוח כתם מערבי.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לס. בסרטון זה סקרנו: ההיסטוריה, הביולוגיה התאית והמולקולרית, והיישומים הביו-רפואיים של S. cerevisiae. אנו מקווים שנהניתם מהסרטון שלנו, ואנו מעודדים אתכם לשתף אותו עם ניצן.