XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Saccharomyces cerevisiae как модельный объект в биологии

Задолго до начала систематического секвенирования геномов стало ясно, что у дрожжей и млекопитающих есть гены, кодирующие очень похожие белки. Некоторые гомологии, включая белки молекулярных систем (например, рибосомы и цитоскелеты), не были неожиданностью. Однако некоторые из них были довольно неожиданными. Особенно арестовав ранним примером было открытие в дрожжах двух близких гомологов (RAS1 и RAS2 ) из млекопитающих РАН прото-онкогена; дрожжевые клетки, лишенные обоих генов, неуязвимы. В 1985 году эта система стала поводом для первого из многих целенаправленных тестов функциональной консервации: H ras млекопитающихПоследовательность была экспрессирована в штамме дрожжей, лишенном обоих генов RAS, с замечательным результатом восстановления жизнеспособности, что указывает на глубокую консервацию не только последовательности, но и детальной биологической функции .

Имея в руках всю последовательность генома дрожжей, мы можем оценить, сколько генов дрожжей имеют значимые гомологи у млекопитающих. Сравнили все последовательности дрожжевых белков с последовательностями млекопитающих в GenBank. Результат обнадеживает: почти для 31% всех генов, потенциально кодирующих белок дрожжей (открытые рамки считывания или ORF), мы обнаружили статистически надежный гомолог среди последовательностей белков млекопитающих . Это явно заниженная оценка, поскольку базы данных наверняка еще не содержат последовательности всех белков млекопитающих или даже представителей каждого семейства белков. Многие из этих сходств относятся к отдельным доменам, а не целым белкам, отражая перетасовку функциональных доменов, характерную для эволюции белков.

ОсновныеособенностиSaccharomyces cerevisiae:

Бутонирующие дрожжи непатогенны, легко выращиваются и поддаются генетическому анализу.

Основные клеточные функции и клеточная архитектура очень консервативны у других эукариот.

Гены других видов могут экспрессироваться в дрожжах и функционировать вместо гомологичного дрожжевого гена.

Половое размножение позволяет генетическую рекомбинацию и восстановление гаплоидных дрожжей, экспрессирующих рецессивные фенотипы.

Гомологичная рекомбинация используется для облегчения инженерии генома.

Многие инструменты, используемые в молекулярной биологии, были разработаны для дрожжей (например, дрожжевой двухгибридный анализ).

Бутонирующие дрожжи были первым эукариотом, у которого был секвенирован весь геном.

Огромный объем информации о дрожжах внесен в базу данных генома Saccharomyces (SGD) и легко доступен для всех.

Коллекция нокаутов дрожжей использовалась для полногеномных исследований функции генов.

Использование дрожжей в качестве модельного организма:

1. Чтобы изучить сложность старения человека:

Дрожжевые клетки делятся митотически, но число делений ограничено, прежде чем клетка погибнет (30-40 делений), что называется репликативным старением. Это аналогично профилю старения стволовых клеток человека.

Дрожжевые клетки умирают, когда они дольше остаются в постмитотической стационарной фазе, по сравнению с человеческим нейроном центральной нервной системы.

Человек стареет, потому что большинство человеческих соматических клеток не экспрессируют достаточно теломеразы, чтобы предотвратить истощение теломер. Это можно изучить в дрожжевых клетках, выбив теломеразу.

2. Для изучения клеточного цикла

3. Генетический анализ митохондриального биогенеза

4. Используется для изучения основных принципов экспрессии и регуляции эукариотических генов, таких как lac-оперон, trp-оперон и т. Д.

5. Использование для изучения пути передачи сигнала у высших организмов

6. Различные новые технологии в генетике и системной биологии разрабатываются на основе изучения дрожжей как модели.

7. Использование для изучения генетических заболеваний человека

Несмотря на то, что S. cerevisiae является одним из наиболее изученных экспериментальных организмов, 60% его генов все еще не имеют экспериментально определенной функции. Большинство из них, имеют некоторое сходство или мотив, предполагающий возможные функции, оставляя около 25% без каких-либо подсказок. При компиляции данных в таблице было замечено, что для генов, гомологичных последовательностям млекопитающих, гораздо меньше шансов получить экспериментальные данные об их функции. Только 34% всего набора дрожжевых генов с гомологами млекопитающих не имеют функций, перечисленных в Saccharomyces. База данных генома; по сравнению с менее чем 25% генов, имеющих самую сильную гомологию. 

Таким образом, вероятность того, что недавно открытый ген человека будет иметь дрожжевой гомолог с хотя бы некоторой функциональной информацией об одном из его доменов, весьма высока. Генетические манипуляции с дрожжами просты и дешевы, тогда как такие манипуляции, даже если они возможны в системах млекопитающих, не долгие и дорогие. Кроме того, существует возможность использовать функциональную совместимость описанным выше методом для генов RAS. По крайней мере 71 человеческий ген дополняет мутации дрожжей; это определенно заниженная оценка. Таким образом, информация о генах человека, полученная в результате изучения гомологов дрожжей, имеет высокую цену.

Лучшие примеры ценности дрожжей как модельной системы касаются генов болезней человека, которые были картированы путем сцепления, позиционно клонированы и затем секвенированы. Обычно об этих генах ничего не известно, кроме того факта, что их наследование приводит к болезни. Последовательность гена обычно дает первый ключ к разгадке его функции посредством гомологии с генами других организмов, обычно S. cerevisiae. Среди лучших совпадений - гены человека, вызывающие наследственный неполипозный рак толстой кишки (MSH2 и MLH1 у дрожжей), нейрофиброматоз 1 типа ( IRA2 у дрожжей), телеангиэктазия атаксии ( TEL1 у дрожжей) и синдром Вернера ( SGS1в дрожжах). 

Унаследованный неполипозный рак толстой кишки имеет клеточный фенотип: нестабильность коротких повторяющихся последовательностей в опухолевых клетках. Воодушевленные этим результатом и еще до клонирования человеческих генов, исследователи дрожжей выделили мутации в генах дрожжей с тем же фенотипом (включая мутации в MSH2 и MLHI ), предсказав, что гены рака толстой кишки, вероятно, будут их гомологами.

Заключение.

Дрожжи являются полезной «моделью» для эукариотической биологии. Существует достаточно оснований для интенсификации усилий по определению функциональной роли оставшихся 60% генов дрожжей, функция которых до сих пор не известна. Есть также много индивидуальных причин для того, чтобы сосредоточить еще больше внимания на таких генах, как MSH2 и SGS1 . Эти гены дрожжей могут представлять собой наиболее эффективный путь к пониманию рака толстой кишки и старения, вызванного мутациями в их человеческих гомологах.

Список литературы:

Goffeau A, et al. Science. 1996;274:546. Saccharomyces Genome Database (SGD) at http://genome-www.stanford.edu/Saccharomy-ces/; Yeast Genome from MIPS (Martinsried Institute for Protein Sequences) at http://speedy.mips.biochem.mpg.de/mips/yeast/;

Yeast Protein Database (YPD) at http://www.proteome.com/YPDhome.html.

Botstein D, Fink GR. Science. 1988;240:1439. 

Kataoka T, et al. Cell. 1985;40:19. 

Strand M, Prolla TA, Liskay RM, Petes TD. Nature. 1993;365:274. 

Sinclair DA, Mills K, Guarente L. Science. 1997;277:1313. 

The Saccharomyces Genome Database is supported by an NIH research resources grant (HG 01315).

Код для цитирования: Скопировать