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Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

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Riproduzione del lievito

Overview

Saccharomyces cerevisiae è una specie di lievito che è un organismo modello estremamente prezioso. È importante sottolineare che S. cerevisiae è un eucariota unicellulare che subisce molti degli stessi processi biologici degli esseri umani. Questo video fornisce un'introduzione al ciclo cellulare del lievito e spiega come S. cerevisiae riproduce sia asessualmente che sessualmente Il lievito si riproduce asessualmente attraverso un processo noto come germogliamento. Al contrario, il lievito a volte partecipa alla riproduzione sessuale, il che è importante perché introduce variazioni genetiche in una popolazione. Durante le condizioni di stress ambientale, S. cerevisiae subirà meiosi e formerà spore aploidi che vengono rilasciate quando le condizioni ambientali migliorano. Durante la riproduzione sessuale, queste spore aploidi si fondono, formando infine uno zigote diploide. In laboratorio, il lievito può essere manipolato geneticamente per comprendere ulteriormente la regolazione genetica del ciclo cellulare, la riproduzione, l'invecchiamento e lo sviluppo. Pertanto, gli scienziati studiano la riproduzione del lievito per ottenere informazioni sui processi che sono importanti nella biologia umana.

Procedure

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Nonostante sia un semplice eucariota unicellulare, Saccharomyces cerevisiae funge da prezioso organismo modello perché i suoi processi cellulari, come il ciclo cellulare, assomigliano a quelli che si trovano negli eucarioti di ordine superiore, come noi. Nel ciclo cellulare del lievito, la crescita cellulare e la divisione cellulare sono strettamente collegate e dipendono da fattori come la concentrazione di nutrienti. A seconda dei segnali ambientali, il lievito può subire una riproduzione asessuata o sessuale per produrre nuove cellule. Questo video ti darà una panoramica sul ciclo cellulare del lievito e sulle diverse forme di riproduzione in S. cerevisiae.

Rispolveriamo rapidamente la nostra conoscenza del ciclo cellulare. Esistono due fasi principali, Interphase, che comprende sottofasi G1, S e G2; e fase M, o mitosi. Come sapete, la mitosi è una componente importante della divisione cellulare e i lieviti sono peculiari in quanto si dividono asimmetricamente attraverso un meccanismo per la riproduzione asessuata, noto come germogliamento.

Nella fase G1, le cellule si impegnano nel ciclo cellulare nel punto "START". Le gemme compaiono durante la fase S e continuano a crescere attraverso il resto del ciclo cellulare, compresa la mitosi. Quando la citochinesi è completa, la divisione ineguale del citoplasma produce una cellula figlia più piccola. Sfortunatamente per la cellula madre, le cicatrici visibili si verificano nel sito di divisione cellulare. Fortunatamente per gli scienziati, tuttavia, l'etichettatura fluorescente della chitina componente della parete cellulare consente ai ricercatori di esaminare il modello in erba di una cellula di lievito e stimare quante volte si è divisa.

Una cellula appena formata crescerà in fase G1, in presenza di sostanze nutritive, fino a quando non saranno soddisfatte determinate condizioni e non verrà raggiunto un checkpoint del ciclo cellulare, o punto di restrizione chiamato "START". Una volta che le cellule passano attraverso "START", sono impegnate nel resto del ciclo cellulare e si divideranno di nuovo. Prima che questo checkpoint venga raggiunto, tuttavia, il lievito può subire meiosi e successiva riproduzione sessuale.

Ora, perché un eucariota unicellulare come il lievito dovrebbe sottoporsi a riproduzione sessuale?

Come avrai già imparato, la riproduzione sessuale è un modo per introdurre variazioni in una popolazione di organismi, che promuove la sopravvivenza.

Il tipo di lievito che si accoppia sono aploidi, che contengono una copia del genoma, come l'uovo o gli spermatozoi. Esistono due tipi di accoppiamento aploide, Mat a e Mat alpha, e queste cellule possono germogliare e riprodursi asessualmente, come il lievito diploide.

Ognuno di questi tipi di accoppiamento rilascia feromoni. Mat a rilascia il "fattore a" e Mat alpha rilascia il "fattore alfa". I feromoni vengono rilevati dai tipi di accoppiamento opposti e fanno sì che il lievito aploide cambi forma allungandosi ed entrando nella fase schmoo.

Durante questa fase, due aploidi continuano a crescere l'uno verso l'altro fino a raggiungere il contatto cellula-cellula. La successiva fusione cellula-cellula e nucleare provoca la formazione dello zigote. Lo zigote nascente rientra quindi nel ciclo cellulare mitotico, dando origine alla sua prima gemma diploide. Gli zigoti appariranno celle a forma di manubrio, con o senza gemma.

Potresti chiederti come vengono prodotti gli aploidi in primo luogo. La risposta è semplice: meiosi. Probabilmente sai già che, a seguito di una duplicazione cromosomica iniziale, la meiosi

si traduce in cellule figlie con la metà del numero di cromosomi della cellula madre. Quando il lievito è in condizioni di stress ambientale si verifica una forma di meiosi, nota come sporulazione.

Durante la sporulazione, le spore aploidi sono prodotte per ogni tipo di accoppiamento e sono contenute in una struttura membranosa dura chiamata asco, come indicato qui con cerchi gialli. Quando le condizioni ambientali migliorano, le spore vengono rilasciate dall'asco. Da lì, si sviluppano ulteriormente in cellule aploidi Mat a e Mat alfa e passano attraverso il ciclo di riproduzione sessuale ancora una volta.

Ora che hai familiarità con la riproduzione del lievito, diamo un'occhiata e vediamo come questo processo può essere applicato per ulteriori studi.

Comprendere la riproduzione del lievito è parte integrante degli esperimenti genetici, ad esempio, generando ceppi di lievito con mutazioni multiple. In questo video, puoi vedere la miscelazione di due diversi ceppi aploidi, Mat a e Mat alpha, su una piastra di agar, e la successiva incubazione per consentire l'accoppiamento e la formazione di diploidi. Vengono quindi replicati placcati su supporti selettivi che consentiranno solo la crescita diploide. I diploidi possono quindi essere sporulati in mezzi carenti di nutrienti, le spore aploidi risultanti sezionate con un micromanipolatore e seminate su una piastra di agar in un modello a matrice. I genotipi aploidi possono essere confermati dalla PCR o dalla crescita su mezzi selettivi.

Gli studi sull'invecchiamento possono anche essere effettuati esaminando la durata replicativa della durata della vita delle cellule di lievito. La durata della vita replicativa è il numero di germogli che una cellula attraversa nel corso della sua vita. Una singola cellula di lievito può produrre circa 30 gemme prima di morire. Qui, puoi vedere che un micromanipolatore viene utilizzato per separare una cellula figlia dalla cellula madre al fine di analizzare la durata della vita del lievito nel tempo. I dati grezzi prodotti da un esperimento replicativo di durata della vita sono un elenco di numeri corrispondenti alle cellule figlie prodotte da ciascuna cellula madre in ogni punto di età.

Lo sviluppo della morfologia cellulare in funzione dei processi cellulari, come la concentrazione proteica, può essere studiato nel lievito in erba. Qui vedete la preparazione delle cellule per la microscopia per visualizzare specifici difetti specifici del fenotipo. In questo video time-lapse, si formano più gemme, indicando che le cellule non riescono a separarsi l'una dall'altra, suggerendo un difetto nella divisione cellulare.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla riproduzione di Saccharomyces cerevisiae. In questo video, abbiamo parlato del ciclo cellulare del lievito e toccato la base sui cicli di vita della riproduzione asessuata e sessuale di questa specie. Grazie per aver guardato, e non dimenticare il tuo shmoo!

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