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在生物学中使用酵母

酵母是最简单的真核生物之一,但许多必需的细胞过程在酵母和人体中是相同的。因此,研究人类的基本分子过程是一种重要的生物体。

贝克或萌芽酵母(酿酒酵母)长期以来一直受欢迎生物模型基本生物研究。在实验室中,易于操纵,可以应对广泛的环境条件和控制细胞分裂和我们的细胞。1996年,这是第一个真核生物的有机体有其基因组测序。

酵母是第一个具有其基因组测序的真核生物。

然而,自从贝克酵母被发现以来,其他酵母也被发现有同样有用的特性。

酵母染色体分享了具有人染色体的许多重要特征。

裂变酵母(粟酒裂殖酵母)已成为研究细胞生长和划分的流行系统。它是有用的,因为在实验室中生长很容易和便宜,而且因为它的细胞具有规则的尺寸并且仅生长长度,使得记录细胞生长非常简单。裂变酵母染色体分享了许多重要特征,具有人类染色体,使生物体成为人类遗传学中具有非常有用的模型。S.Pombe基因组序列于2002年发表。

裂变酵母
图片来源:大卫·欧·摩根(《细胞周期》)控制原则。维基共享

人类和酵母怎么样?

这些酵母的一个重要特征,使它们为研究人类生物过程而这样的有用的生物体,是它们的细胞,如我们的细胞核含有核脱氧核糖核酸包装成染色体。

大多数代谢和细胞途径认为发生在人类,可以研究酵母。例如,研究酵母中的信号蛋白提高了我们对大脑和神经系统发育的理解。

酵母细胞分裂的方式与我们自己的细胞相似。事实上,人们已经发现许多基因这使得调节细胞分裂在酵母中,具有在包括人类的更高生物中控制细胞分裂的等同物。

S. Cerevisiae.S. Pombe.酵母基因组有1200多万个碱基对。

这俩S. Cerevisiae.S. Pombe.酵母基因组有1200多万碱基对S. Cerevisiae.有大约6,000个基因S. Pombe.刚好超过5000个。至少20%已知在疾病中起作用的人类基因在酵母中具有类似的功能。这表明,许多人类疾病的起因是非常基本的细胞过程的中断,如DNA修复,细胞分裂,控制基因表达以及基因与环境之间的相互作用。

这也意味着酵母可用于研究人类遗传,并测试新的毒品。数千种药物可以在含有与突变的人类基因功能相同的酵母细胞上进行测试,看看这些药物能否恢复正常功能。这些化合物,或类似的分子,可能成为人类治疗的可能。尽管如此,重要的是,并不是所有的药物都是如此,因此在药物开发中使用其他模式生物和酵母是有充分理由的。

酵母研究

2001年至2013年间,四项诺贝尔奖授予了酵母研究方面的发现。

酵母是一种强大的模型生物,使能更好地了解人体生物学和疾病。在2001年至2013年期间,授予涉及酵母研究的发现,这是一个令人印象深刻的单一有机体的奖项。

基因组S. Cerevisiae.酵母发表于1996年S. Pombe.结果,序列是,已经开始项目以确定这些基因组中所有基因的功能。一个这样的项目是糖酵母基因组缺失项目,旨在产生酵母突变菌株,其中酵母中的6,000个基因中的每一个是突变的。由此,希望可以识别每个基因的精确功能。

DIC显微镜下的酿酒酵母
图片来源:Masur -自己的作品。在公共领域通过维基共享

其他项目正在研究突出酵母细胞中发生的不同蛋白质相互作用,以确定新药的潜在目标。

酵母,细胞周期和癌症

在过去的几十年中,科学家们一直在努力识别所有突变导致癌症在人类。到目前为止发现的许多突变是在某种程度上有涉及细胞分裂和DNA复制的基因。在许多情况下,在其在实现人类癌症的相关性之前,这些突变已经存在于其他物种中,如酵母。

2001年,利兰·哈特韦尔(Leland Hartwell)、保罗·纳斯(Paul Nurse)和蒂姆·亨特(Tim Hunt)因确定了不同基因在控制细胞分裂中的作用而共同获得了诺贝尔奖。

2001年,三家科学家分享了诺贝尔奖,为他们的独立工作奖,建立了不同基因在控制细胞周期中的作用,并调查酵母细胞周期之间的联系和人类。这三位科学家是李兰哈特韦尔,保罗护士和蒂姆亨特。

生物学家利兰·哈特韦尔(Leland Hartwell)是最早发现癌症相关突变的科学家之一。他想要一个简单的、单细胞的、易于操作的生物作为研究癌症和控制细胞分裂的模型系统。S. Cerevisiae.酵母完美地拟合了标准。通过他的工作,他发现参与“细胞分裂周期”(CDC)的基因S. Cerevisiae.酵母也被发现,在人类中或多或少相同的能力。在他的职业生涯中,李兰继续识别涉及细胞划分控制的100多个基因。他发现,在癌细胞中,通常刺激细胞分裂的突变基因开始行动,就像在汽车中卡住的加速器一样。同时,他发现突变的基因通常负责抑制细胞分裂停止工作,就像出现故障的制动器一样。

保罗·纳斯以利兰为例,但这次使用了S. Pombe.探讨酵母对细胞分裂的控制。20世纪70年代中期,他发现了一种基因S. Pombe.酵母叫CDC2.发现它在控制细胞分裂中起着关键作用。1987年,他又在人类身上发现了相同的基因,后来这个基因被命名为CDK1.。然后,这导致了对人类控制细胞分裂的其他CDK分子的发现。

20世纪80年代早期,蒂姆·亨特在研究海胆时发现了细胞周期蛋白,这是一种在每次细胞分裂时形成并分解的蛋白质。人们发现细胞周期蛋白与Paul Nurse发现的CDK分子结合,并在控制细胞分裂时开启它们。他还表明,这些细胞周期蛋白在每次细胞分裂时都被降解,这一机制被证明对控制这一过程非常重要。

利兰·哈特韦尔、保罗·纳斯、蒂姆·亨特等人利用酵母作为模型生物的发现,对真核细胞如何控制细胞分裂的普遍观点产生了重大贡献。这一认识在生物学的许多不同领域有广泛的应用,包括癌症的预防、诊断和治疗。

从左到右:Leland Hartwell,Paul Nurse和Tim Hunt。

图像积分:Fred Hutch(左)和Anne-Katrin Purkiss,Wellcome Images(中心和右)

酵母和帕金森病

研究使用S. Cerevisiae.作为一种模范生物给人们带来了希望帕金森病了帕金森病和其他神经退行性疾病如老年痴呆症亨廷顿的其特征是蛋白质异常折叠,导致中枢神经系统中有毒细胞的堆积。

蛋白质α-突触核蛋白聚集体形成乐乐体,帕金森病和痴呆症等条件的标志。

已知,α-synuclein蛋白在细胞内的积聚会极大地增加一个人患帕金森病的风险,同时也会影响酵母。在我们的脑细胞上升高或突变形式的α-突触核蛋白痕迹破坏。这种蛋白质聚集在一起形成乐器体,帕金森病等条件的标志和痴呆,因此对众多的严重破坏神经学流程。同样,当工程化以产生高水平的α-突触核蛋白时,S. Cerevisiae.细胞显示出损坏的迹象及其增长变得更慢。

S.酿酒酵母细胞可用作活性试管。

知道这一点,科学家们已经能够使用了S. Cerevisiae.作为表征调节α-突触核蛋白毒性的因素和机制的有效工具。S. Cerevisiae.细胞可以用作活试管来测试化合物的功能,这些化合物可以用来逆转α-synuclein对脑细胞的影响,从而治疗帕金森症。

通过使用活的有机体,如酵母,研究人员能够看到药物对整个有机体的影响,已转基因,模仿生物化学机制的疾病在人类中发现。

此页面的最后更新于2016-06-14