Saccharomyces cerevisiae -Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae
Saccharomyces cerevisiae SEM.jpg
S. cerevisiae , mikrofotografia elektronowa
Klasyfikacja naukowa edytować
Królestwo: Grzyby
Podział: Ascomycota
Klasa: Saccharomycetes
Zamówienie: Saccharomycetales
Rodzina: Saccharomycetaceae
Rodzaj: Saccharomyces
Gatunek:
S. cerevisiae
Nazwa dwumianowa
Saccharomyces cerevisiae

Saccharomyces cerevisiae ( / ˌ s ɛr ə V ɪ s i . I / ) gatunek drożdży (jednokomórkowe grzyby mikroorganizmów). Gatunek odgrywał kluczową rolę w produkcji wina , pieczeniu i warzeniu piwa od czasów starożytnych. Uważa się, że pierwotnie został wyizolowany ze skórki winogron . Jest to jeden z najintensywniej badanych eukariotycznych organizmów modelowych w biologii molekularnej i komórkowej , podobnie jak Escherichia coli jako bakteria modelowa. Jest to mikroorganizm odpowiedzialny za najpowszechniejszy rodzaj fermentacji . Komórki S. cerevisiae są okrągłe do jajowatych, o średnicy5–10  μm . Rozmnaża się przez pączkowanie .

Wiele białek ważnych w biologii człowieka odkryto po raz pierwszy, badając ich homologi w drożdżach; białka te obejmują białka cyklu komórkowego, białka sygnałowe i enzymy przetwarzające białka . S. cerevisiae jest obecnie jedyną komórką drożdży, o której wiadomo, że ma obecne ciała Berkeley , które są zaangażowane w określone szlaki sekrecyjne. Przeciwciała przeciwko S. cerevisiae stwierdzono u 60–70% pacjentów z chorobą Leśniowskiego-Crohna i 10–15% pacjentów z wrzodziejącym zapaleniem jelita grubego (oraz 8% zdrowych osób z grupy kontrolnej ). S. cerevisiae stwierdzono, że przyczynia się do zapachu chleba; prolina i ornityna obecne w drożdżach są prekursorami 2-acetylo-1-piroliny , pieczeń zapachu środka zapachowego, w skorupie chleba.

Etymologia

„ Saccharomyces ” pochodzi od zlatynizowanej greki i oznacza „cukier-pleśń” lub „cukier-grzyb”, przy czym saccharon (σάκχαρον) jest formą łączącą „cukier”, a myces (μύκης) to „ grzyb ”. cerevisiae pochodzi z łaciny i oznacza „piwo”. Inne nazwy organizmu to:

  • Drożdże piwne , choć w warzeniu wykorzystuje się również inne gatunki
  • Drożdże Ale
  • Drożdże górnej fermentacji
  • drozdze
  • Drożdże Ragi, w związku z robieniem tapai
  • Pączkujące drożdże

Gatunek ten jest również głównym źródłem drożdży odżywczych i ekstraktu drożdżowego .

Historia

W XIX wieku piekarze chlebowi otrzymywali drożdże od piwowarów, co doprowadziło do powstania pieczywa na słodko, takiego jak cesarska bułka „ Kaisersemmel ”, której generalnie brakowało kwaskowatości wywołanej zakwaszeniem typowym dla Lactobacillus . Jednak piwowarzy powoli przestawiali się z drożdży górnej fermentacji ( S. cerevisiae ) na drożdże dolnej fermentacji ( S. pastorianus ). Proces wiedeński został opracowany w 1846 roku. Chociaż innowacja jest często przypisywana użyciu pary w piecach piekarniczych, co prowadzi do innej charakterystyki skórki, wyróżnia się uwzględnieniem procedur wysokiego mielenia zbóż (patrz kasza wiedeńska), zamiast tego ich stopniowe pękanie zacierania ich za jednym przejściem; a także lepsze procesy uprawy i zbioru drożdży górnej fermentacji, zwanych drożdżami prasowymi.

Udoskonalenia w mikrobiologii po pracach Louisa Pasteura doprowadziły do ​​bardziej zaawansowanych metod hodowli czystych szczepów. W 1879 r. Wielka Brytania wprowadziła wyspecjalizowane kadzie hodowlane do produkcji S. cerevisiae , a w Stanach Zjednoczonych na przełomie XIX i XX wieku do zagęszczania drożdży stosowano wirówki, co umożliwiało rozwój nowoczesnych drożdży handlowych i przekształcanie produkcji drożdży w główny przemysłowy dążyć. Drożdże z zawiesiny wytwarzane przez małe piekarnie i sklepy spożywcze stały się drożdżami śmietankowymi, zawiesiną żywych komórek drożdży w pożywce wzrostowej, a następnie drożdżami prasowanymi, świeżymi drożdżami ciastkowymi, które stały się standardowym zaczynem dla piekarzy chleba w większości krajów zachodnich na początku XX wiek.

Podczas II wojny światowej , Fleischmann na opracowali granulowany aktywne drożdże suche dla Stanów Zjednoczonych sił zbrojnych, które nie wymagają chłodzenia i mieli dłuższy okres przydatności do spożycia i lepszą tolerancję temperatury niż świeżych drożdży; nadal są standardowymi drożdżami dla amerykańskich przepisów wojskowych. Firma stworzyła drożdże, które rosły dwa razy szybciej, skracając czas pieczenia. Lesaffre stworzyła później drożdże instant w latach 70., które zyskały znaczne zastosowanie i udział w rynku kosztem drożdży świeżych i suszonych w różnych zastosowaniach.

Biologia

Kolonie drożdży na płytce agarowej.

Ekologia

W naturze komórki drożdży znajdują się głównie na dojrzałych owocach, takich jak winogrona (przed dojrzewaniem winogrona są prawie pozbawione drożdży). Ponieważ S. cerevisiae nie unosi się w powietrzu, do poruszania się wymaga wektora.

Królowe os społecznych zimujących w wieku dorosłym ( Vespa crabro i Polistes spp.) mogą przechowywać komórki drożdży od jesieni do wiosny i przenosić je na potomstwo. W jelicie osy społecznej Polistes dominula występują szczepy S. cerevisiae oraz hybrydy S. cerevisiae × S. paradoxus . Stefanini i in. (2016) wykazali, że jelito Polistes dominula sprzyja krzyżowaniu się szczepów S. cerevisiae , zarówno między sobą, jak i z komórkami S. paradoxus , zapewniając warunki środowiskowe sprzyjające zarodnikowaniu komórek i kiełkowaniu zarodników.

Optymalna temperatura dla wzrostu S. cerevisiae wynosi 30–35 °C (86–95 °F).

Koło życia

Dwie formy komórek drożdży mogą przetrwać i rosnąć: haploidalne i diploidalne . Haploidalne komórki przechodzą prosty cykl życiowy – mitozy i wzrostu, iw warunkach dużego stresu na ogół umierają. To jest bezpłciowa forma grzyba. Komórki diploidalne (preferencyjna „forma” drożdży) podobnie przechodzą prosty cykl życiowy – mitozy i wzrostu . Szybkość, z jaką postępuje mitotyczny cykl komórkowy, często różni się znacznie między komórkami haploidalnymi i diploidalnymi. W warunkach stresu komórki diploidalne mogą ulegać zarodnikowaniu , wchodząc w mejozę i wytwarzając cztery haploidalne zarodniki , które następnie mogą się kojarzyć. To jest forma płciowa grzyba . W optymalnych warunkach komórki drożdży mogą podwajać swoją populację co 100 minut. Jednak tempo wzrostu znacznie się różni zarówno między szczepami, jak i środowiskami. Średnia długość życia replikacyjnego wynosi około 26 podziałów komórkowych.

Na wolności recesywne szkodliwe mutacje gromadzą się podczas długich okresów bezpłciowego rozmnażania diploidów i są usuwane podczas samozapylania : to oczyszczanie zostało nazwane „odnową genomu”.

Wymagania żywieniowe

Zobacz też: Azot przyswajalny przez drożdże

Wszystkie szczepy z S. cerevisiae mogą rosnąć w warunkach tlenowych na glukozę , maltozę i trehalozę i nie rosną na laktozę i celobiozę . Jednak wzrost na innych cukrach jest zmienny. Wykazano, że galaktoza i fruktoza to dwa z najlepiej fermentujących cukrów. Zdolność drożdży do wykorzystywania różnych cukrów może się różnić w zależności od tego, czy są hodowane w warunkach tlenowych, czy beztlenowych. Niektóre szczepy nie mogą rosnąć w warunkach beztlenowych na sacharozie i trehalozie.

Wszystkie szczepy mogą używać amoniaku i mocznika jako jedynego źródła azotu , ale nie mogą używać azotanów , ponieważ nie mają zdolności do redukcji ich do jonów amonowych . Mogą również używać większości aminokwasów , małych peptydów i zasad azotowych jako źródeł azotu. Histydyna , glicyna , cystyna i lizyna nie są jednak chętnie stosowane. S. cerevisiae nie wydziela proteaz , więc białko pozakomórkowe nie może być metabolizowane.

Drożdże mają również zapotrzebowanie na fosfor , który jest asymilowany jako jon diwodorofosforanowy i siarkę , która może być asymilowana jako jon siarczanowy lub jako organiczne związki siarki, takie jak aminokwasy metionina i cysteina. Niektóre metale, takie jak magnez , żelazo , wapń i cynk , są również niezbędne do prawidłowego wzrostu drożdży.

Biorąc pod uwagę wymagania organiczne, większość szczepów S. cerevisiae wymaga biotyny . Rzeczywiście, test wzrostu oparty na S. cerevisiae położył podwaliny pod izolację, krystalizację, a następnie określenie strukturalne biotyny. Większość szczepów wymaga również pantotenianu do pełnego wzrostu. Ogólnie rzecz biorąc, S. cerevisiae jest prototroficzny dla witamin.

Gody

Saccharomyces cerevisiae krycia typu z komórek wybrzuszenia zwany shmoo w odpowiedzi na α czynnika a
Główny artykuł: Krycie drożdży

Drożdże mają dwa typy godowe, a i α ( alfa ), które wykazują prymitywne aspekty zróżnicowania płci. Podobnie jak w przypadku wielu innych eukariontów, kojarzenie prowadzi do rekombinacji genetycznej , tj. wytwarzania nowych kombinacji chromosomów. Dwie haploidalne komórki drożdży o przeciwnym typie kojarzenia mogą kojarzyć się, tworząc komórki diploidalne , które mogą albo zarodnikować, aby utworzyć kolejną generację komórek haploidalnych, albo nadal istnieć jako komórki diploidalne. Kojarzenie zostało wykorzystane przez biologów jako narzędzie do dowolnego łączenia genów, plazmidów lub białek.

Ścieżka krycia stosuje receptor sprzężony z białkiem G , białka G , RGS białka i trzypoziomową MAPK sygnału, który jest homologiczny do tych u ludzi. Ta cecha została wykorzystana przez biologów do zbadania podstawowych mechanizmów transdukcji sygnału i odczulania .

Cykl komórkowy

Wzrost drożdży jest zsynchronizowany ze wzrostem pąka , który osiąga rozmiar dojrzałej komórki w momencie oddzielenia się od komórki rodzicielskiej. W dobrze odżywionych, szybko rosnących kulturach drożdży wszystkie komórki mają pąki, ponieważ tworzenie pąków zajmuje cały cykl komórkowy . Zarówno komórki macierzyste, jak i potomne mogą inicjować tworzenie się pąków, zanim nastąpi separacja komórek. W kulturach drożdży rosnących wolniej można zaobserwować komórki pozbawione pąków, a tworzenie pąków zajmuje tylko część cyklu komórkowego.

Cytokineza

Cytokineza umożliwia pączkującym drożdżom Saccharomyces cerevisiae podział na dwie komórki potomne. S. cerevisiae tworzy pączek, który może rosnąć przez cały cykl komórkowy, a następnie opuszcza komórkę macierzystą po zakończeniu mitozy.

S. cerevisiae jest istotna w badaniach cyklu komórkowego, ponieważ dzieli się asymetrycznie, wykorzystując spolaryzowaną komórkę, aby stworzyć dwie córki o różnym przeznaczeniu i wielkości. Podobnie komórki macierzyste wykorzystują podział asymetryczny do samoodnowy i różnicowania.

wyczucie czasu

W przypadku wielu komórek faza M nie zachodzi, dopóki faza S nie zostanie zakończona. Jednak w przypadku wejścia w mitozę S. cerevisiae nie jest to prawdą. Cytokineza rozpoczyna się wraz z pączkowaniem pod koniec G1 i kończy się dopiero w połowie następnego cyklu. Montaż wrzeciona może nastąpić zanim faza S zakończy powielanie chromosomów. Dodatkowo brak jest wyraźnie zdefiniowanego G2 pomiędzy M i S. Zatem brak jest rozległej regulacji obecnej u wyższych eukariontów.

Kiedy córka wychodzi, córka jest o dwie trzecie wzrostu matki. W trakcie tego procesu matka nie wykazuje żadnych zmian w rozmiarze. Szlak RAM jest aktywowany w komórce potomnej natychmiast po zakończeniu cytokinezy. Ta ścieżka zapewnia, że ​​córka właściwie się oddzieliła.

Tworzenie pierścienia aktomiozyny i pierwotnej przegrody

Dwa współzależne zdarzenia napędzają cytokinezę w S. cerevisiae . Pierwszym zdarzeniem jest zwężenie kurczliwego pierścienia aktomiozyny (AMR), a drugim zdarzeniem jest tworzenie przegrody pierwotnej (PS), chitynowej struktury ściany komórkowej, która może powstać tylko podczas cytokinezy. PS przypomina u zwierząt proces przebudowy macierzy zewnątrzkomórkowej. Kiedy AMR się kurczy, PS zaczyna rosnąć. Zakłócenie AMR dezorientuje PS, co sugeruje, że oba mają zależną rolę. Dodatkowo, przerwanie PS prowadzi również do zaburzeń w AMR, co sugeruje, że zarówno pierścień aktomiozyny, jak i przegroda pierwotna są współzależne.

AMR, który jest połączony z błoną komórkową skierowaną w stronę cytozolu, składa się z cząsteczek aktyny i miozyny II, które koordynują podział komórek. Uważa się, że pierścień odgrywa ważną rolę w wnikaniu w błonę plazmatyczną jako siła skurczowa.

Właściwa koordynacja i prawidłowy montaż pozycyjny pierścienia kurczliwego zależy od septin, które są prekursorami pierścienia przegrody. Te GTPazy łączą kompleksy z innymi białkami. Septyny tworzą pierścień w miejscu, w którym zostanie utworzony pączek pod koniec G1. Pomagają promować tworzenie pierścienia aktynowo-miozyna, chociaż mechanizm ten jest nieznany. Sugeruje się, że pomagają zapewnić wsparcie strukturalne dla innych niezbędnych procesów cytokinezy. Po pojawieniu się pąka pierścień septyny tworzy klepsydrę. Klepsydra z septyną i pierścień miozyny są razem początkiem przyszłego miejsca podziału.

Kompleks septyny i AMR postępuje, tworząc przegrodę pierwotną składającą się z glukanów i innych cząsteczek chitynowych wysyłanych przez pęcherzyki z ciała Golgiego. Po całkowitym zwężeniu AMR glukany tworzą dwie wtórne przegrody. Sposób, w jaki pierścień AMR rozkłada się, pozostaje słabo nieznany.

Mikrotubule nie odgrywają tak znaczącej roli w cytokinezie w porównaniu z AMR i przegrodą. Zakłócenie mikrotubuli nie zaburzało znacząco spolaryzowanego wzrostu. Zatem AMR i tworzenie przegrody są głównymi czynnikami napędzającymi cytokinezę.

Różnice w stosunku do drożdży rozszczepiających
  • Pączkujące drożdże tworzą pączek z komórki macierzystej. Ten pączek rośnie podczas cyklu komórkowego i odrywa się; drożdże rozszczepiające dzielą się, tworząc ścianę komórkową
  • Cytokineza rozpoczyna się w G1 dla drożdży pączkujących, podczas gdy cytokineza rozpoczyna się w G2 dla drożdży rozszczepialnych. Drożdże rozszczepialne „wybierają” punkt środkowy, podczas gdy drożdże pączkujące „wybierają” miejsce pączkowania
  • Podczas wczesnej anafazy pierścień i przegroda aktomiozyny nadal się rozwijają u pączkujących drożdży, w drożdżach rozszczepialnych podczas metafazy-anafazy pierścień aktomiozyny zaczyna się rozwijać

W badaniach biologicznych

Organizm modelowy

S. cerevisiae , kontrastowy obraz interferencji różnicowej
Saccharomyces cerevisiae
Ponumerowane kleszcze są oddalone od siebie o 11 mikrometrów.

Kiedy badacze szukają organizmu do wykorzystania w swoich badaniach, szukają kilku cech. Wśród nich są wielkość, czas generacji, dostępność, manipulacje, genetyka, konserwacja mechanizmów i potencjalne korzyści ekonomiczne. Gatunki drożdży S. pombe i S. cerevisiae są dobrze zbadane; te dwa gatunki rozdzieliły się około 600 do 300 milionów lat temu i są ważnymi narzędziami w badaniu uszkodzeń DNA i mechanizmów naprawczych .

S. cerevisiae rozwinął się jako organizm modelowy, ponieważ uzyskuje korzystne wyniki w wielu z tych kryteriów.

  • Jako organizm jednokomórkowy, S. cerevisiae jest mały, z krótkim czasem generacji (czas podwojenia 1,25–2 godziny w temperaturze 30°C lub 86°F) i można go łatwo hodować . Są to wszystkie pozytywne cechy, ponieważ pozwalają na szybką produkcję i utrzymanie wielu linii próbek przy niskich kosztach.
  • S. cerevisiae dzieli się z mejozą, dzięki czemu może być kandydatem do badań genetyki płciowej.
  • S. cerevisiae można transformować, umożliwiając albo dodanie nowych genów, albo delecję poprzez rekombinację homologiczną . Co więcej, możliwość hodowli S. cerevisiae jako haploidu upraszcza tworzenie szczepów pozbawionych genu .
  • Jako eukariota , S. cerevisiae współdzieli złożoną strukturę komórek wewnętrznych roślin i zwierząt bez wysokiego odsetka niekodującej DNA, które mogą prowadzić do nieprawidłowej badania w wyższych eukariontów .
  • Badania S. cerevisiae są silnym czynnikiem ekonomicznym, przynajmniej na początku, ze względu na ich ugruntowane zastosowanie w przemyśle.

W badaniu starzenia się

Przez ponad pięć dekad S. cerevisiae była badana jako organizm modelowy, aby lepiej zrozumieć starzenie się i przyczyniła się do identyfikacji większej liczby genów ssaków wpływających na starzenie niż jakikolwiek inny organizm modelowy. Niektóre z tematów badanych przy użyciu drożdży to ograniczenie kalorii , a także geny i szlaki komórkowe związane ze starzeniem się . Dwie najczęstsze metody pomiaru starzenia się drożdży to Replicative Life Span (RLS), która mierzy liczbę podziałów komórki, oraz Chronological Life Span (CLS), która mierzy, jak długo komórka może przetrwać w zastoju bez podziału. stan. Wykazano, że ograniczenie ilości glukozy lub aminokwasów w pożywce wzrostowej zwiększa RLS i CLS u drożdży, a także innych organizmów. Początkowo sądzono, że zwiększa to RLS poprzez regulację w górę enzymu sir2, jednak później odkryto, że efekt ten jest niezależny od sir2 . Wykazano, że nadekspresja genów sir2 i fob1 zwiększa RLS przez zapobieganie akumulacji pozachromosomalnych kręgów rDNA , które uważa się za jedną z przyczyn starzenia się drożdży. Skutki restrykcji dietetycznej mogą być wynikiem zmniejszonej sygnalizacji w szlaku komórkowym TOR. Ten szlak moduluje odpowiedź komórki na składniki odżywcze, a mutacje, które zmniejszają aktywność TOR, zwiększają CLS i RLS. Wykazano, że dotyczy to również innych zwierząt. Ostatnio wykazano, że mutant drożdży pozbawiony genów sch9 i ras2 ma dziesięciokrotny wzrost chronologicznej długości życia w warunkach ograniczenia kalorii i jest to największy wzrost osiągnięty w każdym organizmie.

Komórki macierzyste tworzą pąki potomne przez podziały mitotyczne, ale ulegają replikacyjnemu starzeniu się przez kolejne pokolenia i ostatecznie umierają. Jednak, gdy komórka macierzysta przechodzi mejozę i gametogenezę , żywotność zostaje zresetowana. Potencjał replikacyjny gamet ( zarodników ) tworzonych przez starzejące się komórki jest taki sam jak gamet tworzonych przez młode komórki, co wskazuje, że uszkodzenia związane z wiekiem są usuwane przez mejozę ze starszych komórek macierzystych. Ta obserwacja sugeruje, że podczas mejozy usunięcie uszkodzeń związanych z wiekiem prowadzi do odmłodzenia . Jednak charakter tych szkód pozostaje do ustalenia.

Podczas głodu niereplikujących się komórek S. cerevisiae , reaktywne formy tlenu wzrastają, co prowadzi do akumulacji uszkodzeń DNA, takich jak miejsca apurynowe/apirymidynowe i pęknięcia dwuniciowe. Również w niereplikujących się komórkach zdolność do naprawy endogennych pęknięć dwuniciowych zmniejsza się wraz ze starzeniem się chronologicznym .

Mejoza, rekombinacja i naprawa DNA

S. cerevisiae rozmnaża się przez mitozę jako komórki diploidalne, gdy składniki odżywcze są obfite. Jednak po zagłodzeniu komórki te przechodzą mejozę, tworząc haploidalne zarodniki.

Dowody z badań S. cerevisiae wskazują na adaptacyjną funkcję mejozy i rekombinacji . Mutacje wadliwe w genach niezbędnych do rekombinacji mejotycznej i mitotycznej u S. cerevisiae powodują zwiększoną wrażliwość na promieniowanie lub substancje chemiczne uszkadzające DNA . Na przykład, gen rad52 jest wymagany zarówno do rekombinacji mejotycznej, jak i rekombinacji mitotycznej. Mutanty Rad52 mają zwiększoną wrażliwość na zabijanie promieniami rentgenowskimi , metanosulfonianem metylu i środkiem sieciującym DNA 8-metoksypsoralen-plus-UVA i wykazują zmniejszoną rekombinację mejotyczną. Odkrycia te sugerują, że naprawa rekombinacyjna podczas mejozy i mitozy jest potrzebna do naprawy różnych uszkodzeń spowodowanych przez te czynniki.

Ruderfer i in. (2006) przeanalizowali pochodzenie naturalnych szczepów S. cerevisiae i doszli do wniosku, że krzyżowanie zachodzi tylko raz na 50 000 podziałów komórkowych. Wydaje się zatem, że w naturze kojarzenie odbywa się najczęściej między blisko spokrewnionymi komórkami drożdży. Kojarzenie występuje, gdy stykają się komórki haploidalne przeciwnego typu MATa i MATα. Ruderfer i in. wskazał, że takie kontakty są częste między blisko spokrewnionymi komórkami drożdży z dwóch powodów. Pierwszym jest fakt, że komórki o przeciwnym typie koniugacji są obecne w tym samym ASCUS , worek, który zawiera komórki bezpośrednio wytwarzane przez pojedynczy mejozy, a komórki te pasowały do siebie nawzajem. Drugim powodem jest to, że haploidalne komórki jednego typu kojarzenia, po podziale komórki, często wytwarzają komórki przeciwnego typu kojarzenia, z którymi mogą się kojarzyć. Względna rzadkość w naturze zdarzeń mejotycznych wynikających z krzyżowania jest sprzeczna z ideą, że wytwarzanie zmienności genetycznej jest główną siłą selekcyjną utrzymującą mejozę w tym organizmie. Jednak odkrycie to jest zgodne z alternatywną ideą, że główną siłą selekcyjną utrzymującą mejozę jest wzmocniona rekombinacyjna naprawa uszkodzeń DNA, ponieważ korzyść ta jest realizowana podczas każdej mejozy, niezależnie od tego, czy zachodzi krzyżowanie, czy nie.

Sekwencjonowanie genomu

S. cerevisiae był pierwszym genomem eukariotycznym, który został całkowicie zsekwencjonowany. Sekwencja genomu została opublikowana w domenie publicznej 24 kwietnia 1996 roku. Od tego czasu w Saccharomyces Genome Database prowadzone są regularne aktualizacje . Ta baza danych jest wysoce adnotowaną i zawierającą odnośniki bazą danych dla badaczy drożdży. Inna ważna baza danych S. cerevisiae jest utrzymywana przez Monachijskie Centrum Informacji o Sekwencjach Białkowych (MIPS). S. cerevisiae genom złożony z około 12156677 par zasad i 6,275 genów , zwarty organizowanych 16 chromosomów. Uważa się, że tylko około 5800 z tych genów jest funkcjonalnych. Szacuje się, że co najmniej 31% genów drożdży ma homologi w ludzkim genomie. Geny drożdży są klasyfikowane za pomocą symboli genów (takich jak sch9) lub nazw systematycznych. W tym ostatnim przypadku 16 chromosomów drożdży jest reprezentowanych przez litery od A do P, następnie gen jest dalej klasyfikowany przez numer sekwencji na lewym lub prawym ramieniu chromosomu oraz literę wskazującą, która z dwóch nici DNA zawiera jego sekwencja kodująca.

Systematyczne nazwy genów drożdży piekarniczych
Przykładowa nazwa genu YGL118W
Tak Y wskazuje, że jest to gen drożdży
g chromosom, na którym znajduje się gen (chromosom 1 = A itd.)
L lewe lub prawe ramię chromosomu
118 numer sekwencyjny genu/ORF na tym ramieniu, zaczynając od centromeru
W czy sekwencja kodująca znajduje się na nici Watsona czy Cricka

Przykłady:

  • YBR134C (znany również jako SUP45 kodujący eRF1 , czynnik terminacji translacji) znajduje się na prawym ramieniu chromosomu 2 i jest 134. otwartą ramką odczytu (ORF) na tym ramieniu, zaczynając od centromeru. Sekwencja kodująca znajduje się na nici Cricka DNA.
  • YDL102W (znany również jako POL3 kodujący podjednostkę polimerazy delta DNA ) znajduje się na lewym ramieniu chromosomu 4; jest to 102. ORF z centromeru i kody z nici Watsona DNA.

Funkcja i interakcje genów

Dostępność sekwencji genomu S. cerevisiae i zestawu mutantów delecyjnych obejmujących 90% genomu drożdży dodatkowo wzmocniła moc S. cerevisiae jako modelu do zrozumienia regulacji komórek eukariotycznych. Trwający projekt, którego celem jest analiza interakcji genetycznych wszystkich mutantów z podwójną delecją za pomocą syntetycznej analizy macierzy genetycznych, posunie te badania o krok dalej. Celem jest stworzenie funkcjonalnej mapy procesów komórki.

Od 2010 roku model interakcji genetycznych jest najbardziej wszechstronny, jak dotąd nie został skonstruowany, zawierający „profile interakcji dla ~75% wszystkich genów w drożdżach pączkujących”. Model ten powstał na podstawie 5,4 miliona porównań dwóch genów, w których przeprowadzono podwójny nokaut genu dla każdej kombinacji badanych genów. Wpływ podwójnego nokautu na sprawność komórki porównano z oczekiwaną sprawnością. Oczekiwane dopasowanie jest określane z sumy wyników dotyczących dopasowania pojedynczego genu z nokautem dla każdego porównywanego genu. Kiedy następuje zmiana w sprawności w stosunku do oczekiwanej, zakłada się, że geny wchodzą ze sobą w interakcję. Zostało to przetestowane przez porównanie wyników z wcześniej znanymi. Na przykład geny Par32, Ecm30 i Ubp15 miały podobne profile interakcji do genów zaangażowanych w proces komórkowy modułu sortowania Gap1. Zgodnie z wynikami, geny te, po wyeliminowaniu, zakłóciły ten proces, potwierdzając, że są jego częścią.

Na tej podstawie znaleziono 170 000 interakcji genów i zgrupowano geny o podobnych wzorcach interakcji. Geny o podobnych profilach interakcji genetycznych wydają się być częścią tej samej ścieżki lub procesu biologicznego. Informacje te zostały wykorzystane do skonstruowania globalnej sieci interakcji genów zorganizowanych według funkcji. Sieć tę można wykorzystać do przewidywania funkcji niescharakteryzowanych genów na podstawie funkcji genów, z którymi są zgrupowane.

Inne narzędzia w badaniach drożdży

Naukowcy zajmujący się drożdżami opracowali podejścia, które można zastosować w wielu różnych dziedzinach nauk biologicznych i medycznych. Obejmują one drożdże dwuhybrydowe do badania interakcji białek i analizy tetrad . Inne zasoby obejmują bibliotekę delecji genów zawierającą około 4700 żywotnych haploidalnych szczepów z delecją pojedynczego genu. Fuzyjne GFP biblioteki szczepu używany do lokalizacji białek badania i biblioteki TAP tag stosuje się do oczyszczania białka z wyciągów z komórek drożdży.

Projekt delecji drożdży Uniwersytetu Stanford stworzył mutacje typu knockout każdego genu w genomie S. cerevisiae w celu określenia ich funkcji.

Syntetyczne chromosomy i genomy drożdży

Genom drożdży jest wysoce podatny na manipulacje, dlatego jest doskonałym modelem do inżynierii genomu.

Międzynarodowy projekt syntetycznego genomu drożdży (Sc2.0 lub Saccharomyces cerevisiae wersja 2.0 ) ma na celu zbudowanie od podstaw całkowicie zaprojektowanego, konfigurowalnego, syntetycznego genomu S. cerevisiae, który jest bardziej stabilny niż typ dziki. W genomie syntetycznym usuwane są wszystkie transpozony , powtarzające się elementy i wiele intronów , wszystkie kodony stop UAG są zastępowane UAA, a geny transferowego RNA są przenoszone do nowego neochromosomu . Od marca 2017 r. zsyntetyzowano i przetestowano 6 z 16 chromosomów. Nie stwierdzono istotnych wad sprawności.

Wszystkie 16 chromosomów można połączyć w jeden chromosom przez kolejne fuzje chromosomów od końca do końca i delecje centromeru . Komórki jednochromosomowe i drożdże typu dzikiego mają prawie identyczne transkryptomy i podobne fenotypy. Gigantyczny pojedynczy chromosom może podtrzymywać życie komórki, chociaż ten szczep wykazuje zmniejszony wzrost w różnych środowiskach, konkurencyjność, produkcję gamet i żywotność.

Astrobiologia

Wśród innych mikroorganizmów próbka żywego S. cerevisiae została uwzględniona w Living Interplanetary Flight Experiment , który zakończyłby trzyletnią międzyplanetarną podróż w obie strony w małej kapsule na pokładzie rosyjskiego statku kosmicznego Fobos-Grunt , wystrzelonego pod koniec 2011 roku. celem było sprawdzenie, czy wybrane organizmy mogą przetrwać kilka lat w głębokim kosmosie , przelatując nimi przez przestrzeń międzyplanetarną. Eksperyment testowałby jeden aspekt transpermii , hipotezę, że życie może przetrwać podróże kosmiczne, jeśli będzie chronione w skałach rozerwanych przez uderzenie jednej planety, by wylądować na innej. Misja Fobos-Grunt zakończyła się jednak niepowodzeniem, gdy nie udało mu się uciec z niskiej orbity okołoziemskiej. Statek kosmiczny wraz ze swoimi instrumentami wpadł do Oceanu Spokojnego w niekontrolowanym powrocie 15 stycznia 2012 roku. Następną planowaną misją wystawienia w kosmosie z wykorzystaniem S. cerevisiae jest BioSentinel . (patrz: Lista mikroorganizmów testowanych w kosmosie )

W zastosowaniach komercyjnych

Browarnictwo

Dalsze informacje: Drożdże w produkcji wina

Saccharomyces cerevisiae jest używany do warzenia piwa, kiedy nazywa się go czasami drożdżami górnej fermentacji lub górnej fermentacji . To jest tak nazywane, ponieważ w trakcie procesu fermentacji jego hydrofobowa powierzchnia powoduje, że kłaczki do przylegania do CO 2 i wzrasta do szczytu zbiornika fermentacyjnego. Drożdże górnej fermentacji fermentowane są w wyższych temperaturach niż drożdże lagerowe Saccharomyces pastorianus , a powstałe piwa mają inny smak niż ten sam napój fermentowany drożdżami lagerowymi. „Estry owocowe” mogą powstawać, jeśli drożdże poddawane są temperaturom zbliżonym do 21 °C (70 °F) lub jeśli temperatura fermentacji napoju zmienia się podczas procesu. Drożdże lagerowe zwykle fermentują w temperaturze około 5 °C (41 °F), gdzie Saccharomyces cerevisiae przechodzą w stan uśpienia. Odmiana drożdży znana jako Saccharomyces cerevisiae var. diastaticus to spoiler piwa, który może powodować wtórne fermentacje w pakowanych produktach.

W maju 2013 r Oregon ustawodawca popełnił S. cerevisiae z oficjalnego mikroba państwa w uznaniu wpływu warzenia piwa rzemieślniczy miał na gospodarkę państwa i tożsamości państwa.

Pieczenie

Główny artykuł: Drożdże piekarnicze

S. cerevisiae jest używany do pieczenia; dwutlenek węgla wytwarzany podczas fermentacji jest używany jako środek spulchniający w chlebie i innych wypiekach. Historycznie rzecz biorąc, to użycie było ściśle związane z używaniem warzeniu piwa za drożdży, jak piekarze wziął albo kupił barm lub piany drożdżowe wypełnione z warzenia piwa z browarów (wytwarzających ciasto barm ); dzisiaj szczepy drożdży piwowarskich i piekarskich są nieco inne.

Drożdże odżywcze

Główny artykuł: Drożdże odżywcze

Saccharomyces cerevisiae są głównym źródłem drożdży odżywczych, które są sprzedawane jako produkt spożywczy. Jest popularny wśród wegan i wegetarian jako składnik zamienników sera lub jako ogólny dodatek do żywności jako źródło witamin i minerałów, zwłaszcza aminokwasów i witamin z grupy B.

Zastosowania w akwariach

Ze względu na wysokie koszty komercyjne CO 2 układów cylindrowych CO 2 wtryskowego przez drożdże jest jednym z najbardziej popularnych DIY podejścia następnie hodowcy akwakultury do dostarczania CO 2 do wodą roślin wodnych. Hodowla drożdży jest na ogół przechowywana w plastikowych butelkach, a typowe systemy dostarczają jeden bąbelek co 3-7 sekund. Opracowano różne podejścia, aby umożliwić właściwą absorpcję gazu do wody.

Bezpośrednie zastosowanie w medycynie

Saccharomyces cerevisiae jest stosowany jako probiotyk u ludzi i zwierząt. Zwłaszcza szczep Saccharomyces cerevisiae var. boulardii jest produkowany przemysłowo i stosowany klinicznie jako lek.

Kilka badań klinicznych i eksperymentalnych wykazało, że Saccharomyces cerevisiae var. boulardii jest, w mniejszym lub większym stopniu, przydatny w zapobieganiu lub leczeniu kilku chorób przewodu pokarmowego. Przedstawiono dane naukowe średniej jakości Saccharomyces cerevisiae var. boulardii w celu zmniejszenia ryzyka wystąpienia biegunki związanej z antybiotykami zarówno u dorosłych, jak i u dzieci oraz w celu zmniejszenia ryzyka działań niepożądanych eradykacji Helicobacter pylori . Również pewne ograniczone dowody potwierdzają skuteczność Saccharomyces cerevisiae var. boulardii w zapobieganiu (ale nie leczeniu) biegunki podróżnych oraz, przynajmniej jako lek wspomagający, w leczeniu biegunki ostrej u dorosłych i dzieci oraz biegunki uporczywej u dzieci. Może również łagodzić objawy alergicznego nieżytu nosa.

Podawanie S. cerevisiae var. boulardii jest uważany za ogólnie bezpieczny. W badaniach klinicznych był dobrze tolerowany przez pacjentów, a wskaźnik działań niepożądanych był podobny do tego w grupach kontrolnych (tj. grupy otrzymujące placebo lub nieleczone). Brak przypadku S. cerevisiae var. boulardii fungemię zgłaszano podczas badań klinicznych.

W praktyce klinicznej jednak zdarzają się przypadki fungemii wywołanej przez Saccharomyces cerevisiae var. boulardii są zgłaszane. Na szczególne ryzyko narażeni są pacjenci z obniżoną odpornością lub z cewnikami naczyniowymi centralnymi. Niektórzy badacze odradzali stosowanie Saccharomyces cerevisiae var. boulardii do leczenia takich pacjentów. Inni sugerują jedynie, że należy zachować ostrożność przy jego stosowaniu u pacjentów z grupy ryzyka.

Ludzki patogen

Udowodniono , że Saccharomyces cerevisiae jest ludzkim patogenem oportunistycznym , choć o stosunkowo niskiej zjadliwości . Mimo powszechnego stosowania tego drobnoustroju w domu iw przemyśle, kontakt z nim bardzo rzadko prowadzi do infekcji. Saccharomyces cerevisiae wykryto w skórze, jamie ustnej, części ustnej gardła, błonie śluzowej dwunastnicy, przewodzie pokarmowym i pochwie zdrowych ludzi (w jednym przeglądzie stwierdzono, że stwierdzono to dla 6% próbek z ludzkiego jelita). Niektórzy specjaliści uważają S. cerevisiae za część normalnej mikroflory przewodu pokarmowego, dróg oddechowych i pochwy człowieka, podczas gdy inni uważają, że gatunku nie można nazwać prawdziwym komensalem, ponieważ pochodzi z pożywienia. Obecność S. cerevisiae w układzie pokarmowym człowieka może być raczej przejściowa; na przykład eksperymenty pokazują, że w przypadku podawania doustnego osobom zdrowym jest on eliminowany z jelita w ciągu 5 dni po zakończeniu podawania.

W pewnych okolicznościach, takich jak obniżona odporność , Saccharomyces cerevisiae może powodować zakażenie u ludzi. Badania pokazują, że powoduje 0,45-1,06% przypadków drożdżakowego zapalenia pochwy . W niektórych przypadkach kobiety cierpiące na infekcję pochwy wywołaną przez S. cerevisiae były bliskimi partnerami piekarzy, a szczep okazał się być taki sam, jak ich partnerzy do pieczenia . Do 1999 r. w literaturze naukowej nie odnotowano przypadków zapalenia pochwy wywołanego przez S. cerevisiae u kobiet, które same pracowały w piekarniach. Niektóre przypadki badaczy powiązali ze stosowaniem drożdży w domowych wypiekach. Znane są również przypadki infekcji jamy ustnej i gardła wywołane przez S. cerevisiae .

Infekcje inwazyjne i ogólnoustrojowe

Czasami Saccharomyces cerevisiae powoduje infekcje inwazyjne (tj. przedostaje się do krwiobiegu lub innego normalnie sterylnego płynu ustrojowego lub do tkanek położonych głęboko, takich jak płuca , wątroba lub śledziona ), które mogą mieć charakter ogólnoustrojowy (obejmować wiele narządów). Takie warunki zagrażają życiu. Ponad 30% przypadków inwazyjnych infekcji S. cerevisiae prowadzi do śmierci, nawet jeśli jest leczone. Infekcje inwazyjne S. cerevisiae są jednak znacznie rzadsze niż infekcje inwazyjne wywołane przez Candida albicans, nawet u pacjentów osłabionych chorobą nowotworową. S. cerevisiae powoduje, 1% do 3,6% szpitalnych przypadków fungemii . Kompleksowy przegląd przypadków zakażeń inwazyjnych S. cerevisiae wykazał, że wszyscy pacjenci mają co najmniej jeden stan predysponujący.

Saccharomyces cerevisiae mogą dostać się do krwiobiegu lub do innych głębokich miejsc ciała poprzez translokację z błony śluzowej jamy ustnej lub jelit lub poprzez zanieczyszczenie cewników wewnątrznaczyniowych (np. cewników centralnych ). Cewniki wewnątrznaczyniowe, antybiotykoterapia i osłabiona odporność są głównymi czynnikami predysponującymi do inwazyjnej infekcji S. cerevisiae .

Szereg przypadków fungemii było spowodowanych celowym spożyciem żywych kultur S. cerevisiae z powodów dietetycznych lub terapeutycznych, w tym stosowaniem Saccharomyces boulardii (szczep S. cerevisiae stosowany jako probiotyk w leczeniu niektórych postaci biegunki ). Saccharomices boulardii powoduje około 40% przypadków inwazyjnych zakażeń Saccharomyces i jest bardziej prawdopodobne (w porównaniu do innych szczepów S. cerevisiae ) powoduje inwazyjne zakażenia u ludzi bez ogólnych problemów z odpornością, chociaż takie działanie niepożądane jest bardzo rzadkie w porównaniu do terapeutycznego podawania Saccharomices boulardii .

S. boulardii może zanieczyścić cewniki wewnątrznaczyniowe przez ręce personelu medycznego zaangażowanego w podawanie pacjentom preparatów probiotycznych S. boulardii .

Zakażenie ogólnoustrojowe zwykle występuje u pacjentów, których odporność została obniżona z powodu ciężkiej choroby ( HIV/AIDS , białaczka , inne formy raka ) lub niektórych zabiegów medycznych ( przeszczep szpiku kostnego , operacje jamy brzusznej ).

Zgłoszono przypadek, w którym guzek został chirurgicznie wycięty z płuca mężczyzny zatrudnionego w piekarni, a badanie tkanki wykazało obecność Saccharomyces cerevisiae . Źródłem zakażenia w tym przypadku ma być inhalacja suchego proszku drożdży piekarskich .

Zjadliwość różnych szczepów

Posąg Saccharomyces cerevisiae ( Hustopeče , Czechy )

Nie wszystkie szczepy Saccharomyces cerevisiae są równie zjadliwe wobec ludzi. Większość szczepów środowiskowych nie jest zdolna do wzrostu w temperaturach powyżej 35°C (tj. w temperaturach żywego organizmu człowieka i innych ssaków ). Zjadliwe szczepy są jednak zdolne do wzrostu przynajmniej powyżej 37 °C, a często do 39 °C (rzadko do 42 °C). Niektóre szczepy przemysłowe mogą również rosnąć w temperaturze powyżej 37 °C. Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (od 2017 r.) wymaga, aby wszystkie szczepy S. cerevisiae zdolne do wzrostu w temperaturze powyżej 37 °C, które są dodawane do łańcucha żywnościowego lub paszowego w formie zdolnej do życia, aby zostały uznane za przypuszczalnie bezpieczne, nie wykazywały oporności na leki przeciwgrzybicze stosowany w leczeniu drożdżaków.

Zdolność do wzrostu w podwyższonych temperaturach jest ważnym czynnikiem wirulencji szczepu, ale nie jedynym.

Inne cechy, które zwykle uważa się za związane z wirulencją to: zdolność do wytwarzania pewnych enzymów, takich jak proteinaza i fosfolipaza , wzrost inwazyjny (tj. wzrost z wnikaniem do pożywki), zdolność przylegania do komórek ssaków, zdolność do przeżycia w obecności od nadtlenku wodoru (który jest używany przez makrofagi zabić mikroorganizmy obce w organizmie) i inne możliwości umożliwiające drożdże oprzeć lub wpływać na odpowiedź immunologiczną w organizmie gospodarza. Czasami mówi się, że zdolność do tworzenia rozgałęzionych łańcuchów komórek, znanych jako pseudohyphae, jest związana ze zjadliwością, chociaż niektóre badania sugerują, że ta cecha może być wspólna zarówno dla zjadliwych, jak i niezjadliwych szczepów Saccharomyces cerevisiae .

Zobacz też

Bibliografia

Przypisy

Cytaty

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki