Saccharomyces cerevisiae'ye Giriş

Saccharomyces cerevisiae, diğer adıyla ekmek mayası, dünya genelindeki laboratuvarlarda çalışılan birçok model organizmadan biridir. Genomu dizilendiği, genetiği kolayca manipüle edilebildiği ve laboratuvar ortamında sürdürülmesi kolay olduğu için bu maya türü, hücre bölünmesi ve hücre ölümü gibi temel hücresel süreçlerin anlaşılmasında paha biçilmez bir kaynak olmuştur. Bu video, size bu model organizma ve biyolojik ile biyomedikal araştırmalardaki geniş uygulama alanı hakkında genel bir bakış sunacaktır.

Mayalar, ökariyotlar olarak adlandırılan, membranla çevrili çekirdeklere sahip organizmalardan oluşan Eukaryota domainine aittir. Mantarlar ve küflerle birlikte S. cerevisiae, sadece Fungi aleminde değil, aynı zamanda böceklerin ve kabukluların dış iskeletlerinde de bulunan bir polisakkarit polimeri olan kitinden yapılmış bir hücre duvarına sahip olduğu için Fungi alemine dahildir.

İlginç bir şekilde, mayalarda bulunan birçok protein, diğer ökariyotların proteinleriyle benzer diziler paylaşır. Bu proteinler genellikle homologdur ve benzer dizileri, organizmaların ortak bir ataya sahip olduğunu gösterir. Araştırmacılar, mayadaki belirli bir proteinin fonksiyonunu inceleyerek, biz insanlar gibi daha yüksek ökariyotlardaki protein fonksiyonu hakkında bilgi edinirler.

Doğada S. cerevisiae, şeker kaynağının yakın olduğu sıcak ve nemli ortamlarda bulunur. En sevdiği yaşam alanlarından biri, üzüm kabuklarında yaşadığı bağlardır.

S. cerevisiae, yuvarlak veya elipsoid ovoid bir şekle sahiptir ve parlak alan mikroskobu ile görüntülendiğinde çapı tipik olarak 5-10 micrometers kadardır.

Çoğu ökariyotik hücre mitoz ve sitokinez yoluyla bölündüğünde, genetik materyal ve sitoplazma yavru hücrelere eşit şekilde ayrılır. Öte yandan, S. cerevisiae, tomurcuklanma adı verilen bir süreçle hücre bölünmesi gerçekleştirir.

Bu eşeysiz üreme biçimi, ana hücreden yeni sentezlenen bir tomurcuğun oluşmasını içerir; bu tomurcuk, sitokineze kadar hücre döngüsü boyunca büyür. Tipik ökariyotik hücre bölünmesinin aksine, mitoz sonrası iki hücre boyut olarak eşit değildir.

S. cerevisiae'yi bir organizma olarak biraz tanıdığımıza göre, onu araştırma için neden harika bir model sistem haline getiren unsurları tartışalım.

Birincisi, maya hücreleri hızlı büyür ve yaklaşık her 90 dakikada bir bölünür. İkincisi, yetiştirilmeleri kolaydır ve çoğaltılmaları için yalnızca basit teknik ve ekipmanlara ihtiyaç duyarlar. Üçüncüsü, tüm genomu dizilenen ilk ökaryotik organizma olması nedeniyle, S. cerevisiae'nin tüm gen dizileri maya genom veri tabanı aracılığıyla kamuya açık olarak sunulmaktadır.

Mayanın genetik manipülasyonu da son derece pratiktir. İlgilenilen bir DNA dizisinin taşıyıcıları olan çoğu S. cerevisiae vektörü, mekiği vektörlerdir (shuttle vectors). Mekik vektörler genellikle hem E. coli hem de S. cerevisiae gibi iki farklı türde çoğalabilen plazmidlerdir. Bu durum, moleküler klonlamanın E. coli'de gerçekleştirilmesine olanak tanır; örneğin, denizanasından gelen yeşil floresan protein geninin bir mekik vektöre eklenmesi ve ardından mayanın parlamasını sağlamak için bu vektörün mayaya aktarılması mümkündür.

Maya integratif plazmidi, yabancı DNA'nın homolog rekombinasyon adı verilen bir işlemle maya genomuna dahil edilmesini sağlayan bir mekik vektörü türüdür. Homolog rekombinasyon, eşleşen veya benzer diziler arasında gerçekleşen ve vektör ile konak genomik DNA arasında genetik bir çaprazlanma ile sonuçlanan bir DNA değişimidir. Bu işlem, bir genin nakavt edilmesine (knock-out) veya bir genin başka bir genle değiştirilmesine neden olabilir. Ek olarak, homolog rekombinasyon konak genomuna entegrasyonla sonuçlandığı için, genetik değişiklik maya hücresi bölündükten sonra da kalıcı olur.

Maya hücrelerinin çalışmak için neden bu kadar uygun olduğunu öğrendiğimize göre, gelin bu küçük canlıların bilimsel olarak neden bu kadar önemli olduklarına bir göz atalım. Çok uzun zaman önce, M.Ö. 6. bin yılın başlarında, mayalar şarap yapımı için üzümlerin fermantasyonunda rol almışlardı. Mayalar daha sonra antik Mısır'da ekmek pişirmede de yer aldılar.

Luis Pasteur'ün S. cerevisiae'yi şarap yapımı ve ekmek pişirmenin temel mikrobu olarak tanımlaması ancak 1856 yılında gerçekleşti. Pasteur, mayayı fakültatif anaerob olarak sınıflandırdı; bu canlılar oksijen yokluğunda, şekerleri metabolize etmelerini sağlayan ve yan ürün olarak alkol üreten bir süreç olan fermantasyona geçerler. Bu süreçte, glikoliz yoluyla üretilen piruvat, asetaldehite indirgenir ve ardından NADH'ın NAD+ formuna dönüşümü sayesinde şarabın belirleyici bileşeni olan etanole indirgenir.

20. yüzyıla hızlıca geçersek, hücre döngüsünü düzenleyen proteinlerin keşfi Hartwell ve Nurse tarafından mayalarda gerçekleştirilmiştir.

Hücre döngüsü, bir hücre bölünmeden önce nükleer DNA'nın uygun şekilde replikasyonu ve segregasyonunu içeren bir dizi hücresel olaydır. Siklin proteini ve siklin bağımlı kinazın tanımlanmasıyla birlikte, interfaz ve mitoz boyunca bunların göreli bolluğundaki değişim, bu proteinlerin hücre bölünmesinin temel düzenleyicileri olduğunu göstermiştir. Bu proteinlerin yüksek derecede korunmuş doğası, mayalarda yapılan çalışmaların, kontrolsüz hücre bölünmesine veya kansere yol açabilen hücre döngüsü düzensizliği gibi çok hücreli organizmalardaki siklin bağımlı kinazların rolünü anlamak açısından değerli olmasını sağlar.

15 yıl sonrasına geldiğimizde; Blackburn, Greider ve Szostak, telomerlerin anlaşılması ve telomerazların keşfi konusunda çığır açan çalışmalar yapmışlardır. Telomerler, bir kromozomun ucunda bulunan ve genomik DNA'nın dejenerasyonunu önleyen tekrarlayıcı DNA dizileridir. Bu tekrarlayıcı dizilerin eklenmesi, kromozomun 3' uç kısmında telomerazlar tarafından gerçekleştirilir ve nükleotidlerin tamamlanması, geciken zincirde DNA polimeraz tarafından takip edilir. Bu DNA segmentleri organizmanın yaşamı boyunca kısaldığı için telomerlerin yaşlanma üzerinde etkileri vardır.

Daha yakın bir tarihte, 1992 yılında, Ohsumi ve meslektaşları, bir tür hücre geri dönüşümü olan otofajiyi düzenleyen genleri keşfettiler. Besin kıtlığı sırasında, feda edilebilir organeller bir otofagozom tarafından yutulur. Otofagozom daha sonra, organel proteinlerini yeni proteinlerin yapımı için gerekli olan amino asitlere daha fazla parçalamak amacıyla bir lizozomla kaynaşır. Otofaji, istilacı patojenlere ve tümör büyümesine karşı koruma sağlayan önemli hücresel mekanizmalarda yer alır.

Maya çalışmaları için çok geniş bir uygulama alanı bulunmaktadır. Örneğin maya; hasarlı mitokondrilerin otofagozomlar aracılığıyla temizlenmesi olan mitofajinin incelenmesinde kullanılabilir. Bu sürecin Alzheimer ve Parkinson gibi hastalıklar üzerinde etkileri vardır. Bu videoda, azot açlığı ortamı eklenerek maya hücrelerinde otofaji indüklenmektedir. Ardından, azot açlığı çekmiş hücrelerde mitofajiyi gözlemlemek amacıyla hücreler floresan mikroskopi için hazırlanmaktadır.

S. cerevisiae, örneğin kistik fibrozis transmembran iletkenlik düzenleyici protein gibi büyük miktarlarda protein ekspres etmek ve saflaştırmak için kullanılır. Bu videoda, CFTR plazmidini taşıyan maya hücreleri büyük kültürlerde büyütülmektedir. Daha sonra, mikrozomları ayırmak amacıyla hücrelerin santrifüj işlemi gerçekleştirilmektedir. Mikrozomlar, hücreler parçalandığında endoplazmik retikulumdan oluşan yapay keselerdir. CFTR'nin mikrozomlardan izolasyonu ve saflaştırılması, bilim insanlarının x-ışını kristalografisi gibi yöntemler kullanarak proteinin yapısını incelemesine olanak tanıyacaktır.

Maya ayrıca, insan DNA onarım proteinlerinin genetik çalışmaları için bir model sistem olarak da kullanılabilir. Bu proteinler, kanser hücreleri gibi kusurlu bir genom taşıyan hücrelerin proliferasyonunu önlemek için hasarlı DNA'yı tespit eder ve onarır. Burada, yazarların transforme edilmiş DNA onarım proteini WRN'ye sahip maya hücrelerini selektif besiyeri plaklarına ektiklerini görüyorsunuz. WRN mutantlarının hücre morfolojisi floresan mikroskopi kullanılarak görselleştirilebilir ve bu proteinin hücre lizatındaki tespiti, Western Blot analizi için protein jeli koşturularak gerçekleştirilir.

JoVE'nin S. cerevisiae tanıtımını izlediniz. Bu videoda S. cerevisiae'nin tarihçesini, hücre ve moleküler biyolojisini ve biyomedikal uygulamalarını inceledik. Videomuzdan keyif aldığınızı umuyor ve bunu bir arkadaşınızla paylaşmanızı öneriyoruz.