Gistreproductie

Ondanks dat het een eenvoudige eencellige eukaryoot is, dient Saccharomyces cerevisiae als een waardevol modelorganisme omdat de cellulaire processen, zoals de celcyclus, lijken op die van hoger geordende eukaryoten, zoals wijzelf. In de celcyclus van gist zijn celgroei en celdeling nauw met elkaar verbonden en afhankelijk van factoren zoals de nutriëntenconcentratie. Afhankelijk van omgevingssignalen kan gist ongeslachtelijke of geslachtelijke voortplanting ondergaan om nieuwe cellen te produceren. Deze video geeft u een overzicht van de celcyclus van gist en de verschillende vormen van voortplanting bij S. cerevisiae.

Laten we onze kennis van de celcyclus kort opfrissen. Er zijn twee hoofdfasen: de interfase, die bestaat uit de subfasen G1, S en G2; en de M-fase, oftewel de mitose. Zoals u weet, is mitose een belangrijk onderdeel van de celdeling, en gisten zijn bijzonder omdat ze asymmetrisch delen via een mechanisme voor ongeslachtelijke voortplanting, bekend als knopvorming.

In de G1-fase zetten cellen zich vast aan de celcyclus bij het "START" punt. Knoppen verschijnen tijdens de S-fase en blijven groeien gedurende de rest van de celcyclus, inclusief de mitose. Wanneer de cytokinese is voltooid, resulteert de ongelijkmatige verdeling van het cytoplasma in een kleinere dochtercel. Helaas voor de moedercel ontstaat er zichtbare littekenvorming op de plaats van de celdeling. Voor wetenschappers is het echter gunstig dat fluorescente labeling van het celwandcomponent chitine onderzoekers in staat stelt om het knopvormingspatroon van een gistcel te bestuderen en te schatten hoe vaak deze gedeeld is.

Een nieuw gevormde cel zal in de G1-fase groeien, in aanwezigheid van voedingsstoffen, totdat aan bepaalde voorwaarden is voldaan en een controlepunt van de celcyclus, of restrictiepunt genaamd "START", is bereikt. Zodra cellen "START" passeren, zijn ze gebonden aan de rest van de celcyclus en zullen ze opnieuw delen. Voordat dit controlepunt wordt bereikt, kunnen gisten echter meiose en daaropvolgende seksuele voortplanting ondergaan.

Maar waarom zou een eencellige eukaryoot zoals gist seksuele reproductie moeten ondergaan?

Zoals u wellicht al heeft geleerd, is seksuele reproductie een manier om variatie in een populatie organismen te introduceren, wat het overlevingsvermogen bevordert.

Het type gist dat paart bestaat uit haploïden, die één kopie van het genoom bevatten, vergelijkbaar met eicellen of zaadcellen. Er zijn twee haploïde paringstypen, Mat a en Mat alpha, en deze cellen kunnen knoppen en zich aseksueel voortplanten, net als diploïde gist.

Elk van deze paringstypen scheidt feromonen af. Mat a scheidt de "a factor" af en Mat alpha scheidt de "alpha factor" af. De feromonen worden gedetecteerd door de tegenovergestelde paringstypen en zorgen ervoor dat de haploïde gist van vorm verandert door te verlengen en de schmoo-fase te betreden.

Tijdens deze fase blijven twee haploïden naar elkaar toe groeien tot er cel-celcontact wordt bereikt. De daaropvolgende cel-cel- en kernfusie resulteert in de vorming van de zygote. De ontstane zygote keert vervolgens terug in de mitotische celcyclus, wat leidt tot de eerste diploïde knop. Zygote zullen eruitzien als haltervormige cellen, met of zonder knop.

U vraagt zich wellicht af hoe haploïden in eerste instantie worden geproduceerd. Het antwoord is eenvoudig: meiose. U weet waarschijnlijk al dat meiose, na een initiële chromosomale duplicatie,

resulteert in dochtercellen met de helft van het aantal chromosomen van de oudercel. Wanneer gist wordt blootgesteld aan omgevingsstress, vindt er een vorm van meiose plaats die sporulatie wordt genoemd.

Tijdens de sporulatie worden haploïde sporen geproduceerd voor elk paringstype, die besloten liggen in een stevige membraanstructuur genaamd een ascus, zoals hier met gele cirkels is aangegeven. Wanneer de omgevingsomstandigheden verbeteren, komen de sporen vrij uit de ascus. Van daaruit ontwikkelen ze zich verder tot Mat a- en Mat alpha-haploïde cellen en doorlopen ze opnieuw de cyclus van seksuele reproductie.

Nu u bekend bent met de voortplanting van gist, laten we eens kijken hoe dit proces kan worden toegepast voor verdere studies.

Het begrijpen van de gistvoortplanting is essentieel in genetische experimenten, bijvoorbeeld bij het genereren van giststammen met meerdere mutaties. In deze video ziet u het mengen van twee verschillende haploïde stammen, Mat a en Mat alpha, op een agarplaat, en de daaropvolgende incubatie om paring en diploïde vorming mogelijk te maken. Ze worden vervolgens via replica-plating overgeplaatst naar selectieve media die alleen diploïde groei toestaan. De diploïden kunnen vervolgens worden gesporuleerd in nutriëntarme media, waarna de resulterende haploïde sporen met een micromanipulator worden gedissecteerd en in een matrixpatroon op een agarplaat worden gezaaid. De haploïde genotypen kunnen worden bevestigd via PCR of groei op selectieve media.

Verouderingsstudies kunnen ook worden uitgevoerd door de replicatieve levensduur van gistcellen te onderzoeken. De replicatieve levensduur is het aantal knopscheutingscycli waar een cel in zijn leven doorheen gaat. Een enkele gistcel kan ongeveer 30 knoppen produceren voordat deze sterft. Hier ziet u dat een micromanipulator wordt gebruikt om een dochtercel van de moedercel te scheiden om de levensduur van de gist in de loop van de tijd te analyseren. De ruwe gegevens die worden gegenereerd door een experiment naar de replicatieve levensduur, bestaan uit een lijst met getallen die overeenkomen met de dochtercellen die door elke moedercel bij elk tijdspunt zijn geproduceerd.

De ontwikkeling van de celmorfologie als functie van cellulaire processen, zoals proteïneconcentratie, kan worden bestudeerd bij knopgist. Hier ziet u de preparatie van cellen voor microscopie om specifieke fenotype-specifieke defecten te visualiseren. In deze time-lapsevideo vormen zich multi-buds, wat aangeeft dat cellen er niet in slagen zich van elkaar te scheiden, wat wijst op een defect in de celdeling.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over de voortplanting van Saccharomyces cerevisiae bekeken. In deze video hebben we gesproken over de celcyclus van de gist en hebben we de aseksuele en seksuele voortplantingscycli van deze soort behandeld. Bedankt voor het kijken, en vergeet uw shmoo niet!