Rozmnażanie drożdży

Mimo że Saccharomyces cerevisiae jest prostym jednokomórkowym eukariotem, stanowi on cenny organizm modelowy, ponieważ jego procesy komórkowe, takie jak cykl komórkowy, przypominają te występujące u eukariotów wyższego rzędu, w tym u ludzi. W cyklu komórkowym drożdży wzrost oraz podział komórki są ściśle powiązane i zależą od czynników takich jak stężenie składników odżywczych. W zależności od sygnałów środowiskowych drożdże mogą rozmnażać się bezpłciowo lub płciowo w celu wytworzenia nowych komórek. Niniejszy film przedstawi przegląd cyklu komórkowego drożdży oraz różnych form rozmnażania u S. cerevisiae.

Szybko odświeżmy naszą wiedzę na temat cyklu komórkowego. Wyróżniamy dwie główne fazy: interfazę, która składa się z podfaz G1, S i G2, oraz fazę M, czyli mitozę. Jak wiadomo, mitoza jest istotnym elementem podziału komórkowego, a drożdże są specyficzne pod tym względem, że dzielą się asymetrycznie poprzez mechanizm rozmnażania bezpłciowego, znany jako pączkowanie.

W fazie G1 komórki wchodzą w cykl komórkowy w punkcie "START". Pączki pojawiają się w fazie S i rosną przez resztę cyklu komórkowego, w tym podczas mitozy. Po zakończeniu cytokinezy nierówny podział cytoplazmy prowadzi do powstania mniejszej komórki potomnej. Niestety dla komórki macierzystej, w miejscu podziału komórkowego powstaje widoczna blizna. Na szczęście dla naukowców fluorescencyjne znakowanie składnika ściany komórkowej, jakim jest chityna, pozwala badaczom analizować wzór pączkowania komórki drożdżowej i oszacować, ile razy uległa ona podziałowi.

Nowo powstała komórka będzie rosnąć w fazie G1, w obecności składników odżywczych, aż zostaną spełnione określone warunki i osiągnięty zostanie punkt kontrolny cyklu komórkowego, czyli punkt restrykcyjny zwany "START". Po przejściu przez punkt "START" komórki są zobowiązane do przejścia przez resztę cyklu komórkowego i ponownie się podzielą. Przed osiągnięciem tego punktu kontrolnego drożdże mogą jednak przejść mejozę i następujące po niej rozmnażanie płciowe.

Dlaczego jednokomórkowy eukariota, taki jak drożdże, miałby potrzebować rozmnażania płciowego?

Jak być może już Państwo wiedzą, rozmnażanie płciowe jest sposobem na wprowadzenie zmienności w populacji organizmów, co sprzyja ich przetrwaniu.

Typy drożdży, które kopulują, to haploidy, zawierające jedną kopię genomu, podobnie jak komórki jajowe lub plemniki. Istnieją dwa haploidalne typy kopulacyjne, Mat a i Mat alpha; komórki te mogą pączkować i rozmnażać się bezpłciowo, podobnie jak drożdże diploidalne.

Każdy z tych typów kopulacyjnych wydziela feromony. Mat a wydziela "czynnik a", a Mat alpha wydziela "czynnik alpha". Feromony są wykrywane przez przeciwległe typy kopulacyjne i powodują, że haploidalne drożdże zmieniają kształt poprzez wydłużenie i wejście w fazę schmoo.

W fazie tej dwa haploidy nadal rosną w swoim kierunku, aż do nawiązania kontaktu międzykomórkowego. Następująca po tym fuzja komórkowa i jądrowa prowadzi do powstania zygoty. Nowo powstała zygota powraca następnie do mitotycznego cyklu komórkowego, dając początek pierwszemu diploidalnemu pączkowi. Zygoty będą wyglądać jak komórki w kształcie hantlek, z pączkiem lub bez niego.

Mogą Państwo zastanawiać się, w jaki sposób w pierwszej kolejności powstają haploidy. Odpowiedź jest prosta: mejoza. Prawdopodobnie wiedzą Państwo, że po początkowej duplikacji chromosomowej mejoza

prowadzi do powstania komórek potomnych z połową liczby chromosomów w stosunku do komórki macierzystej. Gdy drożdże znajdują się w stresujących warunkach środowiskowych, zachodzi forma mejozy znana jako sporulacja.

Podczas sporulacji dla każdego typu kopulacyjnego powstają haploidalne przetrwalniki, które są zamknięte w odpornej strukturze błonowej nazywanej askusem, zaznaczonej tutaj żółtymi okręgami. Gdy warunki środowiskowe ulegają poprawie, przetrwalniki zostają uwolnione z askusa. Następnie rozwijają się one w haploidalne komórki Mat a i Mat alpha i ponownie przechodzą przez cykl rozmnażania płciowego.

Po zapoznaniu się z mechanizmami rozmnażania drożdży, przyjrzyjmy się temu, jak proces ten można wykorzystać w dalszych badaniach.

Zrozumienie rozmnażania drożdży jest kluczowe w eksperymentach genetycznych, na przykład przy tworzeniu szczepów drożdży z wieloma mutacjami. W tym filmie można zobaczyć mieszanie dwóch różnych szczepów haploidalnych, Mat a oraz Mat alpha, na płytce z agarem oraz następującą po tym inkubację w celu umożliwienia kopulacji i powstania diploidów. Następnie są one przenoszone metodą replica plating na podłoża selekcyjne, które dopuszczają wzrost wyłącznie diploidów. Diploidy mogą być następnie sporulowane w podłożach ubogich w składniki odżywcze, a powstałe zarodniki haploidalne wyizolowane za pomocą mikromanipulatora i wysiane na płytce z agarem w układzie macierzowym. Genotypy haploidalne można potwierdzić za pomocą PCR lub poprzez wzrost na podłożach selekcyjnych.

Badania starzenia mogą być również prowadzone poprzez analizę replikacyjnego czasu życia komórek drożdży. Replikacyjny czas życia to liczba pączkowań, przez które przechodzi komórka w ciągu swojego życia. Pojedyncza komórka drożdży może wytworzyć około 30 pączków przed obumarciem. Tutaj widać, że mikromanipulator jest wykorzystywany do oddzielenia komórki córki od komórki matki, aby przeanalizować czas życia drożdży w czasie. Surowe dane uzyskane w eksperymencie nad replikacyjnym czasem życia to lista liczb odpowiadających komórkom córek wytworzonym przez każdą komórkę matki w każdym punkcie czasowym.

W drożdżach pączkujących można badać rozwój morfologii komórki jako funkcję procesów komórkowych, takich jak stężenie białek. Tutaj widać przygotowanie komórek do mikroskopii w celu wizualizacji specyficznych defektów fenotypowych. W tym filmie poklatkowym powstają wielopączkowia, co wskazuje na to, że komórki nie oddzielają się od siebie, sugerując defekt w podziale komórkowym.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do reprodukcji Saccharomyces cerevisiae. W tym filmie omówiliśmy cykl komórkowy drożdży oraz przybliżyliśmy cykle życia w reprodukcji bezpłciowej i płciowej tego gatunku. Dziękujemy za oglądanie i nie zapomnijcie o swoim shmoo!