Riproduzione del lievito

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Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans
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JoVE Science Education Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans
Yeast Reproduction

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07:48 min
April 30, 2023

Overview

Saccharomyces cerevisiae è una specie di lievito che è un organismo modello estremamente prezioso. È importante sottolineare che S. cerevisiae è un eucariota unicellulare che subisce molti degli stessi processi biologici degli esseri umani. Questo video fornisce un’introduzione al ciclo cellulare del lievito e spiega come S. cerevisiae riproduce sia asessualmente che sessualmente Il lievito si riproduce asessualmente attraverso un processo noto come germogliamento. Al contrario, il lievito a volte partecipa alla riproduzione sessuale, il che è importante perché introduce variazioni genetiche in una popolazione. Durante le condizioni di stress ambientale, S. cerevisiae subirà meiosi e formerà spore aploidi che vengono rilasciate quando le condizioni ambientali migliorano. Durante la riproduzione sessuale, queste spore aploidi si fondono, formando infine uno zigote diploide. In laboratorio, il lievito può essere manipolato geneticamente per comprendere ulteriormente la regolazione genetica del ciclo cellulare, la riproduzione, l’invecchiamento e lo sviluppo. Pertanto, gli scienziati studiano la riproduzione del lievito per ottenere informazioni sui processi che sono importanti nella biologia umana.

Procedure

Nonostante sia un semplice eucariota unicellulare, Saccharomyces cerevisiae funge da prezioso organismo modello perché i suoi processi cellulari, come il ciclo cellulare, assomigliano a quelli che si trovano negli eucarioti di ordine superiore, come noi. Nel ciclo cellulare del lievito, la crescita cellulare e la divisione cellulare sono strettamente collegate e dipendono da fattori come la concentrazione di nutrienti. A seconda dei segnali ambientali, il lievito può subire una riproduzione asessuata o sessuale per produrre nuove cellule. Questo video ti darà una panoramica sul ciclo cellulare del lievito e sulle diverse forme di riproduzione in S. cerevisiae.

Rispolveriamo rapidamente la nostra conoscenza del ciclo cellulare. Esistono due fasi principali, Interphase, che comprende sottofasi G1, S e G2; e fase M, o mitosi. Come sapete, la mitosi è una componente importante della divisione cellulare e i lieviti sono peculiari in quanto si dividono asimmetricamente attraverso un meccanismo per la riproduzione asessuata, noto come germogliamento.

Nella fase G1, le cellule si impegnano nel ciclo cellulare nel punto “START”. Le gemme compaiono durante la fase S e continuano a crescere attraverso il resto del ciclo cellulare, compresa la mitosi. Quando la citochinesi è completa, la divisione ineguale del citoplasma produce una cellula figlia più piccola. Sfortunatamente per la cellula madre, le cicatrici visibili si verificano nel sito di divisione cellulare. Fortunatamente per gli scienziati, tuttavia, l’etichettatura fluorescente della chitina componente della parete cellulare consente ai ricercatori di esaminare il modello in erba di una cellula di lievito e stimare quante volte si è divisa.

Una cellula appena formata crescerà in fase G1, in presenza di sostanze nutritive, fino a quando non saranno soddisfatte determinate condizioni e non verrà raggiunto un checkpoint del ciclo cellulare, o punto di restrizione chiamato “START”. Una volta che le cellule passano attraverso “START”, sono impegnate nel resto del ciclo cellulare e si divideranno di nuovo. Prima che questo checkpoint venga raggiunto, tuttavia, il lievito può subire meiosi e successiva riproduzione sessuale.

Ora, perché un eucariota unicellulare come il lievito dovrebbe sottoporsi a riproduzione sessuale?

Come avrai già imparato, la riproduzione sessuale è un modo per introdurre variazioni in una popolazione di organismi, che promuove la sopravvivenza.

Il tipo di lievito che si accoppia sono aploidi, che contengono una copia del genoma, come l’uovo o gli spermatozoi. Esistono due tipi di accoppiamento aploide, Mat a e Mat alpha, e queste cellule possono germogliare e riprodursi asessualmente, come il lievito diploide.

Ognuno di questi tipi di accoppiamento rilascia feromoni. Mat a rilascia il “fattore a” e Mat alpha rilascia il “fattore alfa”. I feromoni vengono rilevati dai tipi di accoppiamento opposti e fanno sì che il lievito aploide cambi forma allungandosi ed entrando nella fase schmoo.

Durante questa fase, due aploidi continuano a crescere l’uno verso l’altro fino a raggiungere il contatto cellula-cellula. La successiva fusione cellula-cellula e nucleare provoca la formazione dello zigote. Lo zigote nascente rientra quindi nel ciclo cellulare mitotico, dando origine alla sua prima gemma diploide. Gli zigoti appariranno celle a forma di manubrio, con o senza gemma.

Potresti chiederti come vengono prodotti gli aploidi in primo luogo. La risposta è semplice: meiosi. Probabilmente sai già che, a seguito di una duplicazione cromosomica iniziale, la meiosi

si traduce in cellule figlie con la metà del numero di cromosomi della cellula madre. Quando il lievito è in condizioni di stress ambientale si verifica una forma di meiosi, nota come sporulazione.

Durante la sporulazione, le spore aploidi sono prodotte per ogni tipo di accoppiamento e sono contenute in una struttura membranosa dura chiamata asco, come indicato qui con cerchi gialli. Quando le condizioni ambientali migliorano, le spore vengono rilasciate dall’asco. Da lì, si sviluppano ulteriormente in cellule aploidi Mat a e Mat alfa e passano attraverso il ciclo di riproduzione sessuale ancora una volta.

Ora che hai familiarità con la riproduzione del lievito, diamo un’occhiata e vediamo come questo processo può essere applicato per ulteriori studi.

Comprendere la riproduzione del lievito è parte integrante degli esperimenti genetici, ad esempio, generando ceppi di lievito con mutazioni multiple. In questo video, puoi vedere la miscelazione di due diversi ceppi aploidi, Mat a e Mat alpha, su una piastra di agar, e la successiva incubazione per consentire l’accoppiamento e la formazione di diploidi. Vengono quindi replicati placcati su supporti selettivi che consentiranno solo la crescita diploide. I diploidi possono quindi essere sporulati in mezzi carenti di nutrienti, le spore aploidi risultanti sezionate con un micromanipolatore e seminate su una piastra di agar in un modello a matrice. I genotipi aploidi possono essere confermati dalla PCR o dalla crescita su mezzi selettivi.

Gli studi sull’invecchiamento possono anche essere effettuati esaminando la durata replicativa della durata della vita delle cellule di lievito. La durata della vita replicativa è il numero di germogli che una cellula attraversa nel corso della sua vita. Una singola cellula di lievito può produrre circa 30 gemme prima di morire. Qui, puoi vedere che un micromanipolatore viene utilizzato per separare una cellula figlia dalla cellula madre al fine di analizzare la durata della vita del lievito nel tempo. I dati grezzi prodotti da un esperimento replicativo di durata della vita sono un elenco di numeri corrispondenti alle cellule figlie prodotte da ciascuna cellula madre in ogni punto di età.

Lo sviluppo della morfologia cellulare in funzione dei processi cellulari, come la concentrazione proteica, può essere studiato nel lievito in erba. Qui vedete la preparazione delle cellule per la microscopia per visualizzare specifici difetti specifici del fenotipo. In questo video time-lapse, si formano più gemme, indicando che le cellule non riescono a separarsi l’una dall’altra, suggerendo un difetto nella divisione cellulare.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla riproduzione di Saccharomyces cerevisiae. In questo video, abbiamo parlato del ciclo cellulare del lievito e toccato la base sui cicli di vita della riproduzione asessuata e sessuale di questa specie. Grazie per aver guardato, e non dimenticare il tuo shmoo!

Transcript

Despite being a simple unicellular eukaryote, Saccharomyces cerevisiae serves as a valuable model organism because its cellular processes, such as the cell cycle, resemble those found in higher order eukaryotes, like us. In the yeast cell cycle, cell growth and cell division are tightly linked and are dependent on factors such as nutrient concentration. Depending on environmental cues, yeast can undergo asexual or sexual reproduction to produce new cells. This video will give you an overview on the yeast cell cycle and the different forms of reproduction in S. cerevisiae.

Let’s quickly brush up on our knowledge of the cell cycle. Two major phases exist, Interphase, which is comprised of G1, S, and G2 sub-phases; and M phase, or Mitosis. As you know, mitosis is an important component of cell division, and yeast are peculiar in that they divide asymmetrically via a mechanism for asexual reproduction, known as budding.

In the G1 phase, cells commit to the cell cycle at the “START” point. Buds appear during the S phase and continue to grow on through the rest of the cell cycle, including mitosis. When cytokinesis is complete, unequal division of the cytoplasm yields a smaller daughter cell. Unfortunately for the mother cell, visible scarring occurs at the site of cell division. Fortunately for scientists however, fluorescent labeling of the cell wall component chitin allows researchers to examine the budding pattern of a yeast cell and estimate how many times it has divided.

A newly formed cell will grow in G1 phase, in the presence of nutrients, until certain conditions are met and a cell cycle checkpoint, or restriction point called “START” is reached. Once cells pass through “START”, they are committed to the remainder of the cell cycle and will divide again. Before this checkpoint is reached, however, yeast can undergo meiosis and subsequent sexual reproduction.

Now why should a unicellular eukaryote like yeast need to undergo sexual reproduction?

As you may have already learned, sexual reproduction is a way to introduce variation in a population of organisms, which promotes survival.

The type of yeast that mate are haploids, which contain one copy of the genome, like egg or sperm cells. There are two haploid mating types, Mat a and Mat alpha, and these cells can bud and reproduce asexually, like diploid yeast.

Each of these mating types release pheromones. Mat a releases the “a factor” and Mat alpha releases the “alpha factor”. The pheromones are detected by the opposite mating types and cause the haploid yeast to change shape by elongating and entering the schmoo phase.

During this phase, two haploids continue to grow towards each other until achieving cell-cell contact. Subsequent cell-to-cell and nuclear fusion results in the formation of the zygote. The nascent zygote then re-enters the mitotic cell cycle, giving rise to its first diploid bud. Zygotes will appear dumbbell shaped cells, either with or without a bud.

You might be wondering how haploids are produced in the first place. The answer is simple: meiosis. You probably already know that, following an initial chromosomal duplication, meiosis

results in daughter cells with half the number of chromosomes as the parent cell. When yeast are under environmentally stressful conditions a form of meiosis takes place, known as sporulation.

During sporulation, haploid spores are produced for each mating type and are contained in a tough membranous structure called an ascus, as indicated here with yellow circles. When environmental conditions improve, spores are released from the ascus. From there, they further develop into Mat a and Mat alpha haploid cells and go through the sexual reproduction cycle once again.

Now that you are familiar with yeast reproduction, let’s take a look and see how this process can be applied for further studies.

Understanding yeast reproduction is integral in genetic experiments, for example, generating yeast strains with multiple mutations. In this video, you can see the mixing of two different haploid strains, Mat a and Mat alpha, on an agar plate, and the subsequent incubation to allow for mating and diploid formation. They are then replica plated onto selective media that will only permit diploid growth. The diploids can then be sporulated in nutrient deficient media, the resulting haploid spores dissected with a micromanipulator, and seeded onto an agar plate in a matrix pattern. The haploid genotypes can be confirmed by PCR or growth on selective media.

Aging studies can also be carried out by examining the replicative lifespan of yeast cells. The replicative life span is the number of buddings a cell goes through in its lifetime. A single yeast cell can produce 30 or so buds before dying. Here, you can see that a micromanipulator is used to separate a daughter cell from the mother cell in order to analyze the yeast life span over time. The raw data produced by a replicative lifespan experiment is a list of numbers corresponding to daughter cells produced by each mother cell at each age point.

The development of cell morphology as a function of cellular processes, such as protein concentration, can be studied in budding yeast. Over here you see the preparation of cells for microcopy to visualize specific phenotype-specific defects. In this time-lapse video, multi- buds form, indicating that cells fail to separate from each other, suggesting a defect in cell division.

You’ve just watched JoVE’s introduction to reproduction of Saccharomyces cerevisiae. In this video, we talked about the yeast cell cycle and touched base on the asexual and sexual reproduction life cycles of this specie. Thanks for watching, and don’t forget about your shmoo!