Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae
taksonomi
Kongerike : sopp
Divisjon : Ascomycota
klasse : Saccharomycetes
Bestilling : Saccharomycetales
familie : Saccharomycetaceae
kjønn : Saccharomyces
Arter : S. cerevisiae
Meyen ex EC Hansen

Ølgjær ( Saccharomyces cerevisiae Meyen ex ECHansen , fra Saccharo sukker , soppmyces og beer cerevisiae ) er en encellet sopp , en gjærtype som brukes industrielt til fremstilling av brød , øl og vin . Genomet til Saccharomyces cerevisiae var det første blant eukaryotene som ble sekvensert. To former veksler i livssyklusen, den ene haploid og den andre diploid . Begge former formerer seg aseksuelt ved knoppskyting . Under svært visse forhold er den diploide formen i stand til seksuell reproduksjon. I disse tilfellene oppstår meiose i cellen, og danner en ascus som inneholder fire haploide ascosporer .

S. cerevisiae er en av de best egnede modellene for studiet av biologiske problemer. Det er et eukaryotisk system, med en kompleksitet som bare er litt høyere enn bakteriens, men deler mange av dens tekniske fordeler med seg. I tillegg til den raske veksten, cellespredningen og den enkle kulturen blir replikert og mutanter isolert, skiller den seg ut for sitt enkle og allsidige DNA- transformasjonssystem . På den annen side tillater fraværet av patogenisitet håndtering med minimale forholdsregler.

S. cerevisiae er et genetisk system som, i motsetning til de fleste andre mikroorganismer, har to stabile biologiske faser: haploid og diploid. Den haploide fasen tillater generering, isolering og karakterisering av mutanter veldig enkelt, mens i den diploide fasen kan komplementeringsstudier utføres. En haploid gjær inneholder 16 kromosomer som varierer i størrelse fra 200 til 2200 kilobaser (kb).

En ytterligere fordel med denne mikroorganismen er at den fullstendige sekvensen av genomet er kjent og holdes under konstant vurdering. Dette har muliggjort genetisk manipulering av de nesten 6600 genene som er kodet av gjærgenomet, den omfattende bruken av DNA-mikroarrays for å undersøke transkriptomet, og genomomfattende studier av blant mange andre aspekter, genuttrykk , proteinlokalisering og proteinlokalisering . funksjonell organisering av genomet og proteomet .

Det molekylære maskineriet til mange cellulære prosesser er bevart i gjær , planter og pattedyr . Dette illustreres av det faktum at gener fra høyere eukaryoter rutinemessig har blitt introdusert i gjær for systematisk analyse av deres funksjon.

Av disse grunnene har S. cerevisiae blitt et viktig verktøy for storskala funksjonell genomikkanalyse, og gir et utgangspunkt for analyse av mer komplekse eukaryote organismer. Som en encellet organisme med en rask veksthastighet, kan gjær brukes til cellestudier som ville være for kompliserte eller dyre i flercellede organismer.

Utility

De viktigste industrielle bruksområdene for denne gjæren er produksjon av øl, brød, vin og kumis , takket være dens evne til å generere karbondioksid og etanol under gjæringsprosessen . I utgangspunktet utføres denne prosessen når denne gjæren er i et medium som er veldig rikt på sukker (som D-glukose ). Under forhold med mangel på næringsstoffer, bruker gjæren andre metabolske ruter som lar den oppnå høyere energiutbytte , og derfor utfører den ikke gjæring.

Fra et vitenskapelig synspunkt har denne mikroorganismen blitt brukt som en enkel modell av den eukaryote cellen . Dette skyldes en rekke fordeler som dens enkle dyrking og hastigheten på celledeling (omtrent to timer).

Ernæring av S. cerevisiae

Karbonkilder som brukes av gjær varierer fra karbohydrater til aminosyrer . I tillegg har muligheten til å bruke visse typer sukker tradisjonelt blitt brukt for karakterisering av de forskjellige rasene som denne arten presenterer. Blant sukkerene du kan bruke er monosakkarider som blant annet glukose , fruktose og mannose . De er også i stand til å bruke disakkarider som maltose og sukrose og trisakkarider som raffinose . Et av sukkerene som det ikke kan metabolisere er laktose , og dette sukkeret brukes til å skille denne arten fra Kluyveromyces lactis . Den er også i stand til å bruke andre karbonkilder enn karbohydrater og aminosyrer. Blant de mest bemerkelsesverdige er evnen til å bruke både etanol og glyserol. Som en generell regel opprettholder gjær to svært godt differensierte typer metabolisme . På den ene siden, under forhold hvor det er høye konsentrasjoner av glukose , fruktose eller maltose , er tendensen til å utføre en alkoholisk gjæring av disse, det vil si at glykolyse utføres og deretter dannes etanol. Når disse sukkerene er knappe, oppstår etanolrespirasjon via Krebs-syklusen . Evolusjonsmessig er dette en prosess som a priori ikke er fordelaktig fordi den er energetisk ugunstig for reproduksjonen av organismen, gitt at det oppnås mye mindre energi i den første prosessen enn i den andre. Imidlertid er de aller fleste organismer svært følsomme for etanol, så det har blitt forstått som en prosess med konkurranse om substrat. Gjær, i tillegg til å trenge en karbonkilde , trenger både nitrogenkilder - som ammonium , urea eller forskjellige typer aminosyrer - og fosforkilder . I tillegg er vitaminer som Biotin , også kalt Vitamin H , og forskjellige sporstoffer nødvendig.

Paring i gjær

Seksuell parring i gjær kan bare skje mellom haploide celler av forskjellige kjønn. To seksuelle typer gjær er derfor definert, a -cellene og alfacellene . Når det gjelder sopp, skyldes kjønnsbestemmelse ikke et forskjellig kromosom mellom kjønnene, men snarere en forskjell på et enkelt sted . Dette stedet er kjent som MAT og styrer seksuell atferd mellom haploide celler og diploide celler .

Seksuell syklus av Saccharomyces cerevisiae

Gjærsopp kan være haploid eller diploid avhengig av syklusens tilstand. Imidlertid er begge celletyper stabile og kan reprodusere aseksuelt ved mitose . Delingen skjer ved å spire , det vil si at dattercellene er mindre enn morcellene. Som nevnt før er det kun haploide celler som kan formere seg seksuelt, så hvis en a-type celle møter en α-type celle, vil de smelte sammen til en enkelt celle, som også vil gjennomgå en fusjon av kjerner, og danne en stabil diploid som også er i stand til av aseksuell reproduksjon. Når ytre forhold er ugunstige for diploide celler, oppstår meiose, noe som forårsaker fremkomsten av fire haploide sporer, hvorav to vil være av den a-seksuelle typen og de to andre av den a-seksuelle typen.

Forskjeller mellom a- og α-celler

a - cellene produserer "faktor a", som er et peptidferomon som indikerer tilstedeværelsen av celler av samme type til celler av det motsatte kjønn. a-cellene vil ikke reagere på a -faktoren i alle fall, men de vil gjøre det hvis det er faktor α i nærheten . Denne typen respons utløser dannelsen av en bule i cellene mot kilden til feromonene til det motsatte kjønn og er gjensidig. For tiden er de molekylære basene som styrer denne oppførselen kjent, noe som skyldes transkripsjon eller undertrykkelse av gener i de to seksuelle typene gjær. a - cellene transkriberer genene som vil produsere a-faktoren , samt en membranreseptor kjent som Ste2p. Denne reseptoren er i stand til å binde seg til faktor α og utløse en rekke intracellulære signaler mediert av protein G. I tillegg undertrykker cellene uttrykket av gener som vil danne proteinene som er nødvendige for syntesen av faktor α og membranreseptoren Ste3p. I α-celler skjer akkurat det motsatte. Alle disse forskjellene mellom transkripsjonell aktivering og undertrykkelse er forårsaket av tilstedeværelsen av en av de to allelene til et lokus kalt MAT: MAT a eller Matα . Mat a - allelen koder for et enkelt protein kalt a1. Matα - allelen koder for α1 og α2, som i haploider styrer transkripsjonen av det α-cellespesifikke programmet.

Forskjeller mellom haploide og diploide celler

Haploide celler av begge kjønn reagerer på feromonet som produseres av det motsatte kjønn. Celler av det motsatte kjønn vil kunne smelte sammen og danne en diploid celle. Haploide celler vil aldri kunne utføre meiose under normale forhold. I motsetning til dette produserer eller reagerer ikke diploide celler på noen av de forskjellige typene feromoner , men de kan gjennomgå meiose under veldig spesifikke miljøforhold. Akkurat som det er genuttrykksmønstre mellom α- og α-celler , er det også genuttrykksforskjeller mellom haploide og diploide celler. Et eksempel på sistnevnte er tilfellet med endonukleasen HO, som uttrykkes i haploide celler, eller tilfellet med IME1, hvis uttrykk er undertrykt i diploide celler. Forskjeller i uttrykksmønstre mellom haploider og diploider er forårsaket av MAT -lokuset . Haploide celler inneholder bare én kopi av MAT -lokuset , i noen av dets alleliske varianter, og dette vil bestemme kjønnet til cellen. Diploider er et resultat av cellefusjon mellom celler av forskjellige kjønn, og det er derfor de presenterer begge lokiene.

Seksuell endring i gjær

En haploid gjær er i stand til å skifte kjønn. På en slik måte at hvis en enkelt celle av type a eller α er i et medium uten tilstedeværelse av det motsatte kjønn, etter noen generasjoner noteres tilstedeværelsen av det motsatte feromonet og en økning i diploide celler. Denne forekomsten av diploider kan være så høy at den fortrenger populasjonen av haploider, siden sistnevnte populasjon har høy tendens til å parre seg. Gjærstammene som brukes i laboratorier, utfører vanligvis ikke denne endringen av kjønn fordi de er endret i HO -genet , som er avgjørende for kjønnsskiftet. Dette genererer en stabil forplantning av noen av de haploide celletypene, og diploider dannes aldri under normale forhold.

HML og HMR

Hvordan kan gjær endre kjønn hvis denne fenotypen er gitt av et enkelt MAT -lokus ? Svaret er enkelt: gjærsopp har kopier av MAT -lokuset som er stilnet og derfor ikke forstyrrer kjønnsbestemmelsen. Når en endring i kjønnet til gjærene skjer, skjer en generstatning av MAT -lokuset med en av de ekstra kopiene. De tause kopiene kalles HML (som vanligvis bærer en taus kopi av MATa- allelen ) og HMR (som vanligvis bærer en taus kopi av MATa- allelen ). Begge lokiene finnes på kromosom III og er lokalisert til høyre ( HMR , der R er for høyre ) og til venstre ( HML , hvor L er for venstre ) for MAT - lokuset i alle dets allelvarianter.

Mekanisme for seksuell endring

Prosessen med seksuell endring i gjær er gitt av genkonverteringen initiert av endonukleasen HO . Ekspresjonen av nevnte endonuklease er spesifikt regulert i haploider og er bare aktiv i haploide celler under G1 -cellesyklusfasen . HO- endonukleasen genererer et spesifikt kutt i DNA -et til MAT - lokuset . Når kuttet er laget, blir de frie endene som genereres angrepet av eksonukleaser , og produserer nedbrytning av MAT -lokuset i begge retninger. Dette fraværet av en del av et lokus genererer aktivering av DNA-reparasjonssystemer som fører til erstatning av det manglende lokuset med en av de ekstra HMR- eller HML -kopiene .

Retningsbestemt seksuell endring

Reparasjonen av MAT -lokuset kuttet av HO- endonukleasen tillater seksuell endring, siden den som en generell regel erstattes av den motsatte allelen til den den opprinnelig var i. På denne måten, når en celle bestemmer seg for å gjøre en seksuell endring, blir MAT en allel degradert og erstattet av HML kopien . Dette resulterer i opphør av uttrykket av den gamle MAT a og starten på uttrykket av den nye MATα , med alt dette innebærer. Denne retningsvirkningen skyldes delvis aktiviteten til en rekombinasjonsforsterker (RE) [ 1 ] lokalisert på venstre arm av kromosom III. Sletting av denne regionen fører til at en celle feilaktig reparerer MAT-lokuset ved å bruke HMR-regionen. I celler binder Mcm1-proteinet seg til ER og fremmer rekombinasjon av HML-regionen. I α- celler , derimot, binder α2-faktor seg til ER-regionen og undertrykker rekombinasjon. Det ville være en medfødt standardskjevhet mot rekombinasjon med HMR som ville fremme rekombinasjon med den regionen i sistnevnte tilfelle. Disse mekanismene er for tiden under etterforskning.

S. cerevisiae genom

Genomet til denne gjæren inneholder omtrent 12 156 677 basepar (12 Mb) med 6 275 åpne leserammer , eller gener , hvorav bare 5 800 antas å være virkelig funksjonelle gener. Den er organisert i et sett med seksten fullt karakteriserte kromosomer som varierer i størrelse fra 200 til 2200 kb . Det er anslått at det deler omtrent 23% av genomet med mennesket.

Patogenese

Saccharomyces cerevisiae regnes ikke som et vanlig patogen. Dens opportunistiske rolle i sepsis hos leukemipasienter og andre opportunistiske infeksjoner hos AIDS- pasienter får for tiden stadig større betydning . Det har nylig blitt rapportert som årsaken til autobryggerisyndrom eller intestinalt fermenteringssyndrom . [ 2 ]

Antistoffer mot S. cerevisiae er funnet hos 60-70 % av de som er rammet av Crohns sykdom og hos 10-15 % av de med ulcerøs kolitt (og hos 8 % av friske). [ 3 ]

Se også

Referanser

  1. ^ "Saccharomyces cerevisiae rekombinasjonsforsterkeren skjev rekombinasjon under bytte av interkromosomal parringstype, men ikke i interkromosomal homolog rekombinasjon" . Genetics 166 (3): 1187-97. mars 2004. PMC  1470794 . PMID  15082540 . doi : 10.1534/genetics.166.3.1187 . Ukjent parameter ignorert ( hjelp )  |vauthors=
  2. ↑ Cristine Souza Goebel, og andre (2013). "Saccharomyces cerevisiae-infeksjon" . Ibero-American Journal of Mycology . 
  3. ↑ Walker, LJ; Alhous, MC; Drummond, HE; Smith, BRK; Nimmo, ER; Arnott, IDR; Satsangi, J. (2004). "Anti-Saccharomyces cerevisiae-antistoffer (ASCA) i Crohns sykdom er assosiert med sykdommens alvorlighetsgrad, men ikke NOD2/CARD15-mutasjoner" . Clinical and Experimental Immunology 135 (3): 490-6. PMC  1808965 . PMID  15008984 . doi : 10.1111/j.1365-2249.2003.02392.x . 

Bibliografi

  • Lewis B (2001). Gener VII. Marban
  • Cordell, B.; McCarthy, J. (2013). "En kasusstudie av tarmfermenteringssyndrom (autobryggeri) med Saccharomyces cerevisiae som den forårsakende organismen". International Journal of Clinical Medicine 04 (7): 309. doi:10.4236/ijcm.2013.47054.

Eksterne lenker