酿酒酵母简介

Biology I

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Summary

酿酒酵母(也称面包酵母) 是在科学研究中常用到的一种单细胞真核生物。酿酒酵母是一种极具吸引力的模式生物, 因其基因组已被完全测序,方便进行遗传操作,并且容易在实验室培养。许多酵母蛋白的序列和功能与在其他生物中发现的蛋白相似,因此对酵母的研究可以帮助我们了解某些特定基因或蛋白在高等生物(包括人类)中的作用。 本短片将介绍该模式生物的生物学特性,它如何被发现,以及为什么世界各地的实验室都选择它作为模式进行研究。 过去在酿酒酵母中进行的研究使我们了解了一些重要的细胞进程,如细胞周期,衰老和细胞凋亡。最后,本短片还讲述了将酵母细胞用于现代科学研究中的一些例子,包括蛋白纯化,对DNA修复机制的研究,和对与阿尔兹海默病和帕金森病相关的细胞进程的研究。

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JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 酿酒酵母简介. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

酿酒酵母, 也称面包酵母,是广泛用于世界各地实验室的模式生物之一 。 由于这种酵母的基因组已被测序,容易进行遗传操作,且易于培养 ,使得它成为了解基本细胞进程,如细胞分裂和凋亡的宝贵资源。本短片将为您全面介绍该模式生物及其在生物和生物医学研究中的广泛应用。

酵母属于真核生物域,该生物域包括的生物都有膜包被的细胞核,也被称为真核生物(a)。和蘑菇和霉菌一样,酿酒酵母也同属真菌门,因为它们都具有由几丁质构成的细胞壁。几丁质是一种多糖,不仅见于真菌,也存在于昆虫和甲壳类的外骨骼。

有趣的是,许多来自酵母的蛋白质与其他真核生物中的蛋白质有相似的序列。这些蛋白质通常是同源的,他们相似的序列说明这些生物具有共同的祖先。通过研究一个已知的酵母蛋白质的功能,研究人员可以了解到该蛋白质在高等真核生物,如人类中的作用。

在自然界中,酿酒酵母生活在温暖、湿润、并且糖分高的环境。它们喜欢出现的地方之一是葡萄园,在葡萄的表面生长。

在亮视野显微镜下,酿酒酵母呈圆或卵圆形,直径通常5到10微米。

大多数的真核生物采用有丝分裂和减数分裂,使得等量的遗传物质和细胞质分配到子细胞中,而酿酒酵母采用出芽生殖的方式进行细胞分裂。

这种无性生殖过程包括,先在母细胞上生成一个新芽,新芽在整个细胞周期中不停长大直到发生胞质分裂。不同于典型的真核生物细胞分裂,酿酒酵母的有丝分裂产生两个不同大小的子细胞。

现在我们已经对酿酒酵母这个生物有了一定了解,下面让我们来讨论一下为什么它是一个非常好的用于研究的模式生物

首先, 酵母细胞生长迅速,大约每90分钟分裂一次。第二,它们容易培养,仅需简单的设备和技术就可繁殖。第三,酿酒酵母作为第一个基因组被完全测序的真核生物,其基因序列可通过酵母基因组数据库公开获得。

对酵母的遗传操作也非常简便。多数携带目的DNA序列的酿酒酵母载体是穿梭载体 。穿梭载体通常指能在两种不同的生物,如大肠杆菌和酿酒酵母中复制的质粒。这样使得分子克隆可在大肠杆菌中进行,如将水母的绿色荧光蛋白基因整合到穿梭载体上,然后转入到酵母中表达发光。

酵母整合型质粒是穿梭载体的一种,它可通过同源重组,将外源DNA插入到酵母基因组当中。同源重组是指通过置换在两段相同或相似序列之间的DNA,将载体和宿主基因组DNA的遗传信息进行交换。通过这种方法,可以进行基因敲除或基因置换。此外,由于同源重组将外源DNA 整合到宿主基因组, 所造成的遗传变化在酵母细胞分裂后仍然会被保留。

现在你已经知道酵母为何可以如此方便用于研究,接下来我们看看为什么这些小生物在科学上非常重要。 很久以前,约在公元前6千年,酵母已经用于葡萄发酵来生产葡萄酒。之后在古埃及,酵母还被用于制作面包。

直到1856年,路易司巴斯德发现了酵母是酒类酿制和面包制备过程中的关键微生物。他将酵母归类为兼性厌氧微生物,其在缺氧条件下开始发酵,使得酵母代谢糖类并产生副产物乙醇。 在这个过程中,糖酵解产生的丙酮酸被还原为乙醛,随着NADH转变成NAD+,乙醛被 进一步还原为乙醇,也就是葡萄酒中的 主要成分。

到了20世纪,Hartwell和Nurse在酵母中发现了调控细胞周期的蛋白。

细胞周期是一系列的细胞事件, 包括细胞分裂前核DNA的正确复制和分离。细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶的发现,以及它们在细胞间期和有丝分裂期相对含量的变化,表明这些蛋白是细胞分裂的关键调控因子。这些蛋白的高度保守性使得在酵母中对它们的研究非常有价值,可帮助我们了解细胞周期蛋白依赖性激酶在多细胞生物中的作用,如细胞周期的失调会导致细胞分裂不受控制,甚至癌症。

15年后, Blackburn, Greider和 Szostak对端粒的研究取得了突破性进展,并发现了端粒酶。端粒是位于染色体末端的重复DNA序列,可以防止基因组DNA被降解。这些重复性序列由 端粒酶添加在染色体3’末端,然后DNA聚合酶将后随链核苷酸补平。端粒与衰老有关,因为这些DNA片段在生物生命周期中会逐渐变短。

就在最近,1992年 Ohsumi和他的同事们又发现了调控被称为自噬的细胞能源再利用过程的基因。当营养缺乏时,可被消耗的细胞器被自噬体吞噬。自噬体然后与溶酶体结合,将细胞器蛋白进一步降解成氨基酸用于合成新的蛋白。自噬在一些重要的细胞机制如防止入侵的病菌和肿瘤生长中发挥作用。

对酵母的研究有广泛的应用。例如,酵母可用于研究线粒体自噬,一种通过自噬体清除受损线粒体的过程。该机制可用于如早老性痴呆症和帕金森病的治疗。本短片中,通过氮源饥饿培养基诱导酵母细胞的自噬。然后在荧光显微镜下观察这些氮源饥饿细胞中的线粒体自噬。

酿酒酵母也用于表达和纯化大量蛋白,如CFTR囊性纤维化跨膜传导调节蛋白。本短片中,携带CFTR质粒的酵母细胞经过大量培养,然后离心细胞来分离微粒体。微粒体是细胞被匀浆破碎时,内质网膜结构破裂后重新封闭形成的囊泡。从微粒体中分离并纯化CFTR蛋白使得科学家可通过例如x-射线晶体衍射的方法对该蛋白的结构进行分析。

酵母也可作为模式系统研究人体DNA修复蛋白。这些蛋白可检测到并修复损伤DNA,从而阻止携带有缺陷基因组的细胞,如肿瘤细胞的增殖。你这里看到的是作者将转化了DNA修复蛋白WRN的酵母细胞涂在选择培养基上。含WRN的突变细胞的形态可用荧光显微镜观察到,通过跑 蛋白胶和蛋白免疫印迹法可检测细胞提取液中的WRN蛋白。

您刚刚观看的是JoVE提供的酿酒酵母简介。在本短片中,我们回顾了酿酒酵母的历史,其细胞和分子生物学特性及在生物医学中的应用。我们希望您能对我们的短片满意并将它分享给您的朋友

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