Размножение дрожжей

Несмотря на то что Saccharomyces cerevisiae представляет собой простой одноклеточный эукариот, этот гриб служит ценным модельным организмом, поскольку его клеточные процессы, такие как клеточный цикл, схожи с процессами, происходящими в эукариотах более высокого порядка, включая человека. В клеточном цикле дрожжей рост и деление клеток тесно взаимосвязаны и зависят от таких факторов, как концентрация питательных веществ. В зависимости от сигналов окружающей среды дрожжи могут размножаться бесполым или половым путем для образования новых клеток. В данном видео представлен обзор клеточного цикла дрожжей и различных форм репродукции S. cerevisiae.

Давайте быстро освежим в памяти знания о клеточном цикле. Существует две основные фазы: интерфаза, состоящая из подфаз G1, S и G2, и M-фаза, или митоз. Как известно, митоз является важным компонентом клеточного деления, при этом дрожжи обладают особенностью делиться асимметрично с помощью механизма бесполого размножения, известного как почкование.

В фазе G1 клетки вступают в клеточный цикл в точке "START". Почки появляются в S-фазе и продолжают расти на протяжении остальной части клеточного цикла, включая митоз. Когда цитокинез завершается, неравномерное деление цитоплазмы приводит к образованию более мелкой дочерней клетки. К сожалению для материнской клетки, в месте деления образуется видимый рубец. Однако для ученых это преимущество, поскольку флуоресцентное мечение хитина, компонента клеточной стенки, позволяет исследователям изучать характер почкования дрожжевой клетки и оценивать количество произошедших делений.

В присутствии питательных веществ недавно сформированная клетка будет расти в фазе G1 до тех пор, пока не будут выполнены определенные условия и не будет достигнута контрольная точка клеточного цикла, или точка рестрикции, называемая "START". После прохождения точки "START" клетки обречены пройти остаток клеточного цикла и снова разделятся. Однако до достижения этой контрольной точки дрожжи могут подвергаться мейозу и последующему половому размножению.

Почему же одноклеточному эукариоту, такому как дрожжи, необходимо подвергаться половому размножению?

Как вы, возможно, уже знаете, половое размножение — это способ внесения вариативности в популяцию организмов, что способствует выживанию.

Типы дрожжей, которые вступают в спаривание, являются гаплоидными; они содержат одну копию генома, подобно яйцеклеткам или сперматозоидам. Существуют два гаплоидных типа спаривания, Mat a и Mat alpha, и эти клетки могут почковаться и размножаться бесполым путем, как и диплоидные дрожжи.

Каждый из этих типов спаривания выделяет феромоны. Mat a выделяет "a-фактор", а Mat alpha выделяет "alpha-фактор". Феромоны обнаруживаются клетками противоположного типа спаривания и заставляют гаплоидные дрожжи изменить форму, удлиняясь и переходя в фазу «шму» (schmoo phase).

В течение этой фазы две гаплоидные клетки продолжают расти навстречу друг другу до установления межклеточного контакта. Последующее слияние клеток и ядер приводит к образованию зиготы. Затем новообразованная зигота снова вступает в митотический клеточный цикл, давая начало своей первой диплоидной почке. Зиготы выглядят как клетки гантелевидной формы, с почкой или без нее.

Возможно, вам интересно, как изначально образуются гаплоиды. Ответ прост: посредством мейоза. Вы, вероятно, уже знаете, что после первоначальной дупликации хромосом мейоз

приводит к образованию дочерних клеток, имеющих вдвое меньшее число хромосом, чем родительская клетка. Когда дрожжи находятся в стрессовых условиях окружающей среды, происходит форма мейоза, известная как споруляция.

Во время споруляции для каждого типа спаривания образуются гаплоидные споры, которые заключены в прочную мембранную структуру, называемую аском, что здесь показано желтыми кругами. При улучшении условий окружающей среды споры выходят из аска. После этого они развиваются в гаплоидные клетки Mat a и Mat alpha и снова проходят цикл полового размножения.

Теперь, когда вы ознакомились с размножением дрожжей, давайте посмотрим, как этот процесс может быть применен в дальнейших исследованиях.

Понимание размножения дрожжей имеет важное значение для генетических экспериментов, например, для создания штаммов дрожжей с множественными мутациями. В этом видео показано смешивание двух различных гаплоидных штаммов, Mat a и Mat alpha, на чашке с агаром и последующая инкубация для спаривания и формирования диплоидов. Затем они переносятся методом репликации на селективные среды, которые допускают рост только диплоидов. После этого диплоиды могут подвергаться споруляции в средах с дефицитом питательных веществ, полученные гаплоидные споры выделяются с помощью микроманипулятора и высеваются на чашку с агаром в виде матрицы. Гаплоидные генотипы могут быть подтверждены с помощью PCR или роста на селективных средах.

Исследования старения также могут проводиться путем изучения репликативного срока жизни дрожжевых клеток. Репликативный срок жизни — это количество почкований, которые клетка проходит за время своей жизни. Одна дрожжевая клетка может образовать около 30 почек перед гибелью. Здесь видно, что микроманипулятор используется для отделения дочерней клетки от материнской с целью анализа срока жизни дрожжей с течением времени. Необработанными данными, полученными в эксперименте по репликативному сроку жизни, является список чисел, соответствующих количеству дочерних клеток, произведенных каждой материнской клеткой в каждой временной точке.

На почкующихся дрожжах можно изучать развитие морфологии клеток в зависимости от клеточных процессов, таких как концентрация белков. Здесь показана подготовка клеток к микроскопии для визуализации специфических фенотипических дефектов. На этом видео с замедленной съемкой образуются множественные почки, что указывает на то, что клетки не отделяются друг от друга, что свидетельствует о нарушении процесса клеточного деления.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE о размножении Saccharomyces cerevisiae. В этом ролике мы обсудили клеточный цикл дрожжей и кратко затронули циклы бесполого и полового размножения этого вида. Спасибо за просмотр, и не забывайте о вашем шму (shmoo)!