Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

6.3: Hefe Signalgebung 564
INHALTSVERZEICHNIS

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Yeast Signaling
 
PROTOKOLLE

6.3: Yeast Signaling

6.3: Hefe Signalgebung 564

Overview

Yeasts are single-celled organisms, but unlike bacteria, they are eukaryotes—cells that have a nucleus. Cell signaling in yeast is similar to signaling in other eukaryotic cells. A ligand, such as a protein or a small molecule outside the yeast cell, attaches to a receptor on the cell surface. The binding stimulates second-messenger kinases (enzymes that phosphorylate specific substrates) to activate or inactivate transcription factors that regulate gene expression. Many of the yeast intracellular signaling cascades have similar counterparts in Homo sapiens, making yeast a convenient model for studying intracellular signaling in humans.

Signaling Cascades Drive Yeast Reproduction

Yeasts are members of the fungus kingdom. They use signaling for various functions, especially for reproduction. Yeasts can undergo “sexual” reproduction using mating pheromones, which are peptides—short chains of amino acids. Yeast colonies consist of both diploid and haploid cells. Both types of cells can undergo mitosis, but only diploid cells can undergo meiosis. When diploid cells undergo meiosis, the four resulting haploid cells, called spores, are not identical. In fact, the division of one diploid cell into four spores creates two “sexes” of yeast cells, each two cells of the type MAT-a and MAT-alpha.

MAT-a cells secrete mating signals called pheromones that attract the MAT-alpha cells, and vice versa. The mating pheromones bind to G-protein coupled receptors on the cell membranes. Upon binding, the G-protein initiates a mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade. In this signaling cascade, a member of the MAP kinase protein family specifically phosphorylates another MAP kinase, which phosphorylates another, and so on. The kinases eventually phosphorylate transcription factors that alter the expression of nearly 200 genes to make the cell receptive to mating. These changes produce an elongation of the cell membrane and cytoplasm in the direction of the pheromone. This elongation is called a shmoo, and it continues following the pheromone concentration gradient until it connects with its mate. The two yeast cells merge, combining their chromosomes into a single diploid cell.

Quorum Signaling in Yeast

Even though yeast uses many cell signaling devices that are similar to the signaling mechanisms seen in more complex multicellular organisms, yeast is still individual cells, single-celled organisms, living in colonies, similar to bacteria. Like bacteria, yeast also uses quorum sensing signals between cells and even between colonies. At high cell density, yeast begins to secrete a quorum signal that aggregates individual yeast cells into colonies, with subcolonies expressing specialized functions or geographies. Quorum signals do not have to consist of complex molecules such as proteins. In fact, yeast can produce ammonia, a low-molecular-weight compound, which serves as a quorum signal that separates yeast cells into zones of viability and zones of apoptosis (programmed cell death). At the edges of a colony, where ammonia is least concentrated, cells proliferate. If enough ammonia is produced, it can inhibit the growth of the whole colony as well as the growth of neighboring colonies.

Yeast Can Infect Human Tissues

Yeast infections in humans include thrush (which forms painful white patches in the mouth), Candida esophagitis (thrush that spreads to the esophagus), vaginal yeast infections (causing vaginal pain, itching, and burning), skin itching and rashes including athletes’ foot (tinea pedis), and many others. The most dangerous form of yeast infection occurs when the fungus invades the bloodstream (fungemia). This is a life-threatening condition. All fungal infections spread when the fungi grow and signal to each other as described above.

Überblick

Hefen bzw. Hefepilze sind einzellige Organismen. Im Gegensatz zu Bakterien sind sie allerdings Eukaryonten und besitzen einen Zellkern. Die Zellsignalisierung läuft in Hefen ähnlich wie bei anderen eukaryontischen Zellen ab. So heftet sich beispielsweise ein Ligand, also beispielsweise ein Protein, an einen Rezeptor der Zelloberfläche. Die Bindung stimuliert sekundäre Messenger-Kinasen. Diese sind Enzyme, welche spezifische Substrate phosphorylieren. So werden Transkriptionsfaktoren der Genexpression reguliert, aktiviert oder deaktiviert. Viele der intrazellulären Signalkaskaden der Hefe haben ähnliche Gegenstücke im Menschen. Das macht Hefepilze zu geeigneten Modellen für die Untersuchung von intrazellulären Signalübertragung beim Menschen.

Signalkaskaden treiben die Hefevermehrung an

Hefen gehören dem Pilzreich an. Sie nutzen Signalkaskaden zur Auslösung von verschiedenen Funktionen. Insbesondere werden sie im Zusammenhang mit der Fortpflanzung der Hefepilze genutzt. Hefen können sich unter Verwendung von Paarungshormonen, die Peptide sind, fortpflanzen. Peptide sind kurze Ketten von Aminosäuren. Hefekolonien bestehen sowohl aus diploiden als auch haploiden Zellen. Beide Zelltypen können sich der Mitose unterziehen. Nur diploide Zellen können sich jedoch der Meiose unterziehen. Wenn diploide Zellen eine Meiose durchlaufen, sind die vier entstehenden haploiden Zellen nicht identisch zueinander. Man bezeichnet sie als Sporen. Tatsächlich erzeugt die Teilung einer diploiden Zelle in vier Sporen zwei Geschlechter von Hefezellen, nämlich jeweils zwei Zellen des Typs MAT-a und MAT-alpha.

MAT-a Zellen schütten Paarungssignale aus, die Pheromone genannt werden und die MAT-alpha-Zellen anziehen und umgekehrt. Die sich paarenden Pheromone binden an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren auf den Zellmembranen. Nach der Bindung initiiert das G-Protein eine Mitogen-aktivierte Protein (MAP)-Kinasekaskade. In dieser Signalkaskade phosphoryliert ein Mitglied der MAP-Kinase-Proteinfamilie spezifisch eine andere MAP-Kinase, die wiederum eine andere phosphoryliert. Dieser Prozess läuft sich wiederholend fort. Die Kinasen phosphorylieren schließlich Transkriptionsfaktoren, welche die Expression von fast 200 Genen verändern. So wird die Zelle für die Paarung empfänglich gemacht. Diese Veränderungen bewirken eine Verlängerung der Zellmembran und des Cytoplasmas in Richtung des Pheromons. Diese Dehnung wird als „Shmooing“, bezeichnet und folgt dem Pheromonkonzentrationsgradienten, bis sie sich die Zelle mit ihrem Partner verbindet. Die beiden Hefezellen verschmelzen und kombinieren ihre Chromosomen zu einer einzigen diploiden Zelle.

Quorum-Signaling in Hefen

Selbst wenn Hefen viele zelluläre Signalgeber verwenden, die den Signalmechanismen in komplexeren mehrzelligen Organismen ähneln, sind Hefen immer noch einzelne Zellen. Es sind Einzeller, die ähnlich wie Bakterien in Kolonien leben. Wie Bakterien nutzen auch die Hefepilze Quorum Sensin-Signale zwischen Zellen und teilweise sogar zwischen ganzen Kolonien. Bei einer hohen Zelldichte beginnen die Hefen, ein Quorum-Signal zu produzieren. Dieses Signal aggregiert die einzelnen Zellen zu ganzen Kolonien. Es können Subkolonien entstehen, welche spezialisierte Funktionen aufweisen. Quorum-Signale müssen nicht aus komplexen Molekülen wie z.B. Proteinen bestehen. Hefen können beispielsweise Ammoniak produzieren, was eine niedermolekulare Verbindung ist und in diesem Fall als Quorum-Signal fungiert. Es teilt Hefezellen in Zonen der Lebensfähigkeit und Zonen der Apoptose (programmierter Zelltod). An den Rändern einer Kolonie, wo Ammoniak am wenigsten konzentriert ist, vermehren sich die Zellen. Wenn genügend Ammoniak produziert wird, kann es das Wachstum der gesamten Kolonie sowie das Wachstum benachbarter Kolonien hemmen.

Hefepilze können menschliches Gewebe befallen

Hefeinfektionen beim Menschen umfassen Soor (wo sich schmerzhafte weiße Flecken im Mund bilden), Candida-Ösophagitis (Soor, der sich in die Speiseröhre ausbreitet), vaginale Hefeinfektionen (die vaginale Schmerzen, Juckreiz und Brennen verursachen), Hautjucken und Hautausschläge. Hierzu gehört beispielsweise auch der bekannte Sportlerfuß (Tinea pedis) und viele weitere. Die gefährlichste Form der Hefepilzinfektion tritt auf, wenn der Pilz in die Blutbahn eindringt (Fungämie). Dies ist für den menschlichen Körper lebensbedrohlich. Alle Pilzinfektionen breiten sich aus, wenn die Pilze wachsen und sich gegenseitig wie oben beschrieben gegenseitig Signale aussenden.


Suggested Reading

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter