Кіріспе
Ашытқының түрлері Schizosaccharomyces pombe, сондай-ақ "жарылу ашытқысы" деп аталады, дәстүрлі сыра пісіруде және молекулалық және жасушалық биологияда үлгілік организм ретінде қолданылатын ашытқы түрі. Бұл бір жасушалы эукариот, оның жасушалары таяқ тәрізді. Жасушаларының диаметрі 3-4 микрометр, ұзындығы 7-14 микрометр. Оның геномы шамамен 14,1 миллион негіз жұптарынан тұрады, және 4970 ақуызды кодтайтын гендер мен кем дегенде 450 кодтамайтын РНК бар деп есептеледі. Бұл жасушалар өз пішінін жасуша ұштары арқылы ғана өсіп, орталықтан бөліну арқылы екі тең жасушаға бөліну арқылы сақтайды, бұл оларды жасуша циклын зерттеудегі қуатты құралға айналдырады. Фиссиондық ашытқы 1893 жылы Пауль Линднер Шығыс Африканың тары сырасынан бөліп алды. Түрдің атауы "pombe" – суахили тілінде "сыра" деген мағынаны білдіреді. Оны алғаш рет 1950 жылдары Урс Леупольд генетиканы зерттеу үшін, ал Мердок Митчисон жасуша циклын зерттеу үшін эксперименталды модель ретінде пайдаланды. Фиссиондық ашытқыны зерттеуші Пауль Нурс, фиссиондық ашытқылар генетикасы және жасуша циклын зерттеу мектептерін біріктірді. Ли Хартуэлл және Тим Хантпен бірге, Нурс 2001 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығын жасуша циклын реттеу жөніндегі жұмыстары үшін алды. S. pombe геномының тізбегі 2002 жылы Сангер институты басқарған консорциум жариялады, бұл геномы толық секвенцияланған алтыншы эукариоттық модельді организм болды. S. pombe зерттеушілері PomBase MOD (модельді организмдер дерекқоры) арқылы қолдалады. Бұл осы организмнің мүмкіндіктерін толық ашты, бүгінгі күнге дейін 70% адам гендеріне гомологты гендер анықталды, оның ішінде адам ауруларына қатысы бар көптеген гендер де бар. 2006 жылы S. pombe-дегі барлық ақуыздардың субклеткалық орналасуы жасыл флуоресцентті ақуызды молекулалық маркер ретінде пайдаланып жарияланды. Schizosaccharomyces pombe ДНК зақымдануына жасушалық реакцияларды және ДНК репликациясы процесін зерттеуде де маңызды организмге айналды. S. pombe-ның шамамен 160 табиғи штаммы оқшауланды. Бұл штамдар Еуропа, Солтүстік және Оңтүстік Америка, Азия сияқты әртүрлі аймақтардан жиналған. Бұл штамдардың көп бөлігі алма және жүзім сияқты өсірілген жемістерден немесе бразилиялық кашаса сияқты алкогольді сусындардан алынған. S. pombe ферменттелген шайда, комбучада да кездеседі. Қазіргі уақытта S. pombe мұндай сусындарда негізгі ферментатор ме, әлде ластанушы ма, әлі белгісіз. Schizosaccharomyces ашытқыларының табиғи экологиясы жеткілікті зерттелмеген.
Schizosaccharomyces pombe, also called "fission yeast", is a species of yeast used in traditional brewing and as a model organism in molecular and cell biology. It is a unicellular eukaryote, whose cells are rod shaped. Cells typically measure 3 to 4 micrometres in diameter and 7 to 14 micrometres in length. Its genome, which is approximately 14.1 million base pairs, is estimated to contain 4,970 protein coding genes and at least 450 non coding RNAs. These cells maintain their shape by growing exclusively through the cell tips and divide by medial fission to produce two daughter cells of equal size, which makes them a powerful tool in cell cycle research. Fission yeast was isolated in 1893 by Paul Lindner from East African millet beer. The species name pombe is the Swahili word for beer. It was first developed as an experimental model in the 1950s: by Urs Leupold for studying genetics, and by Murdoch Mitchison for studying the cell cycle. Paul Nurse, a fission yeast researcher, successfully merged the independent schools of fission yeast genetics and cell cycle research. Together with Lee Hartwell and Tim Hunt, Nurse won the 2001 Nobel Prize in Physiology or Medicine for work on cell cycle regulation. The sequence of the S. pombe genome was published in 2002, by a consortium led by the Sanger Institute, becoming the sixth model eukaryotic organism whose genome has been fully sequenced. S. pombe researchers are supported by the PomBase MOD (model organism database). This has fully unlocked the power of this organism, with many genes orthologous to human genes identified 70% to date, including many genes involved in human disease. In 2006, sub cellular localization of almost all the proteins in S. pombe was published using green fluorescent protein as a molecular tag. Schizosaccharomyces pombe has also become an important organism in studying the cellular responses to DNA damage and the process of DNA replication. Approximately 160 natural strains of S. pombe have been isolated. These have been collected from a variety of locations including Europe, North and South America, and Asia. The majority of these strains have been collected from cultivated fruits such as apples and grapes, or from the various alcoholic beverages, such as Brazilian Cachaça. S. pombe is also known to be present in fermented tea, kombucha. It is not clear at present whether S. pombe is the major fermenter or a contaminant in such brews. The natural ecology of Schizosaccharomyces yeasts is not well studied.
Тарих
Schizosaccharomyces pombe алғаш рет 1893 жылы Германиядағы сыра қауымдастығының зертханасында жұмыс істейтін топ Шығыс Африкадан әкелінген тары сырасының шөгінділерін зерттеген кезде, оған қышқыл дәм беруін анықтағанда табылды. "Скизо" термині, "бөліну" немесе "жарылу" деген мағынаны білдіреді, бұрын басқа Schizosaccharomycetes түрлерін сипаттау үшін қолданылған. "Pombe" сөзінің қосылуы, оның Шығыс Африка сырасынан оқшауланғандығына байланысты болды, себебі суахили тілінде "pombe" сөзі "сыра" дегенді білдіреді. Стандартты S. pombe штаммдарын Урс Леупольд 1946 және 1947 жылдары Нидерландының Делфт қаласындағы ашытқы коллекциясынан алған мәдениеттен бөліп алды. Ол жерде А. Остервальдер оны 1924 жылы Франция шарабынан (көптеген жағдайда бұзылған) Швейцарияның Ваденсвилл қаласындағы Шарап және бау-бақша шаруашылығы федералдық тәжірибелік станциясында оқшаулағаннан кейін S. pombe var. liquefaciens деген атпен қалдырған. Урс Леупольд қолданған мәдениетте (басқаларымен қатар) h90 (968 штамм), h (972 штамм) және h+ (975 штамм) жұптасу типтері бар жасушалар қамтылған. Осыдан кейін, S. pombe-ді жемістерден, нектардан немесе ашыту процесінен оқшаулауға екі ірі күш-жігер жұмсалды: біріншісі Флоренцано және авторлар тобы Батыс Сицилиядағы жүзімдіктерде, ал екіншісі Гомес және авторлар тобы (2002) Оңтүстік-Шығыс Бразилияның төрт аймағында жүргізді.
Экология
С. pombe бөлінуіш ашытқысы Ascomycota бөлімшесіне жатады, ол саңырауқұлақтың ең ірі және әртүрлі тобын құрайды. Бос тіршілік ететін аскомицеттер ағаштардың шырындарында, өсімдік тамырларында және оларды қоршаған топырақта, піскен және шіріп жатқан жемістерде, сондай-ақ оларды бір субстраттан екіншісіне тасымалдайтын жәндіктермен байланыста кездеседі. Мұндай байланыстардың көпшілігі симбиотикалық немесе сапрофиттік болып табылады, бірақ көптеген аскомицеттер (және олардың базидиомицет туыстары) коммерциялық егістерді қоса алғанда, көптеген өсімдік түрлеріне зиян келтіретін маңызды өсімдік патогендері болып табылады. Аскомицетті ашытқылар тұқымдасының ішінде S. pombe бөлінуіш ашытқысы ерекше, себебі оның жасуша қабырғасында жақсы белгілі β-глюканнан өзге α (1,3) глюкан немесе псевдонигеран және хитиннің дерлік жоқтығы бар. Бұл тұқымның түрлері маннан құрамында да ерекшеленеді, олардың маннандарының тармақтарында терминалды d-галактоза қанттары кездеседі. S. pombe артық қант болғанда аэробты ашыту процесінен өтеді. S. pombe шарапта кең таралған негізгі органикалық қышқылдың бірі – L-яблок қышқылын ыдырата алады, бұл оны басқа Saccharomyces штамдарынан ерекшелендіреді.
Жаңғақ ашытқысымен салыстыру (Saccharomyces cerevisiae)
Ашытқының Schizosaccharomyces pombe және Saccharomyces cerevisiae түрлері кеңінен зерттелген; бұл екі түр қазіргіден шамамен 300-600 миллион жыл бұрын бөлініп кетті және молекулалық және жасушалық биологияда маңызды құралдар болып табылады. Бұл екі түрдің арасындағы техникалық айырмашылықтардың кейбіреулері: S. cerevisiae шамамен 5600 ашық оқу кадрларына ие; S. pombe шамамен 5070 ашық оқу кадрларына ие. Гендер саны ұқсас болғанымен, S. cerevisiae-да шамамен 250 интрон бар, ал S. pombe-да 5000-ға жуық. S. cerevisiae 16 хромосомадан, ал S. pombe 3 хромосомадан тұрады. S. cerevisiae көбінесе диплоидты, ал S. pombe әдетте гаплоидты болады. S. pombe-да shelterin сияқты теломерлік кешен бар, ал S. cerevisiae-да жоқ. S. cerevisiae жасуша циклінің G1 фазасында ұзақ уақыт қалады (соның салдарынан G1-S өтуі қатаң бақыланады), ал S. pombe жасуша циклінің G2 фазасында ұзақ уақыт қалады (соның салдарынан G2-M өтуі қатаң бақылауда болады). Екі түрдің де бір-бірімен ортақ емес, бірақ жоғары эукариоттармен ортақ гендері бар. S. pombe-де омыртқалы жануарлардағыдай RNAi машиналық гендері бар, ал бұл S. cerevisiae-де кездеспейді. S. cerevisiae гетерохроматині S. pombe-мен салыстырғанда айтарлықтай қарапайым. Керісінше, S. cerevisiae жақсы дамыған пероксисомалары бар, ал S. pombe-да жоқ. S. cerevisiae-де 125 жұп негіздік (bp) шағын центромер және шамамен сол өлшемдегі анықталған репликация басталу тегі бар. Ал S. pombe-де сүтқоректілердің центромерлеріне ұқсас үлкен, қайталанатын центромерлер (40-100 kb) және кемінде 1 kb дегенеративті репликация басталу тегі бар.
S. cerevisiae has approximately 5,600 open reading frames; S. pombe has approximately 5,070 open reading frames. Despite similar gene numbers, S. cerevisiae has only about 250 introns, while S. pombe has nearly 5,000. S. cerevisiae has 16 chromosomes, S. pombe has 3. S. cerevisiae is often diploid while S. pombe is usually haploid. S. pombe has a shelterin like telomere complex while S. cerevisiae does not. S. cerevisiae is in the G1 phase of the cell cycle for an extended period (as a consequence, G1 S transition is tightly controlled), while S. pombe remains in the G2 phase of the cell cycle for an extended period (as a consequence, G2 M transition is under tight control). Both species share genes with higher eukaryotes that they do not share with each other. S. pombe has RNAi machinery genes like those in vertebrates, while this is missing from S. cerevisiae. S. cerevisiae also has greatly simplified heterochromatin compared to S. pombe. Conversely, S. cerevisiae has well developed peroxisomes, while S. pombe does not. S. cerevisiae has small point centromere of 125 bp, and sequence defined replication origins of about the same size. On the converse, S. pombe has large, repetitive centromeres (40–100 kb) more similar to mammalian centromeres, and degenerate replication origins of at least 1kb.
S. pombe жолдары мен жасушалық процестер
S. pombe гендерінің өнімдері (ақуыздар мен РНК) барлық тіршілікке тән көптеген жасушалық процестерге қатысады. Бөлінуші ашытқы GO slim S. pombe гендерінің барлық өнімдерінің биологиялық қызметін жоғары деңгейдегі категориялық шолу түрінде ұсынады.
Цитокинез
Цитокинездің жалпы ерекшеліктері осы жерде көрсетілген. Жасушаның бөліну орны анафазаға дейін анықталады. Содан кейін анафазалық шпінделі (суретте жасыл түспен көрсетілген) бөлінген хромосомалар алдын ала белгіленген бөліну жазықтығының қарама-қарсы жақтарында болатындай етіп орналастырылады.
Өлшемін бақылау
Бөлінуші ашытқыда, өсу G2/M фазасы арқылы өтуді реттейді, wee1 мутациясы жасушаның қалыптыдан кішкентай өлшемде митозға енуіне себеп болады, нәтижесінде G2 фазасы қысқарады. G1 фазасы ұзарады, бұл G2/M бақылауы жоғалғанда өсуге жауапты Start (клеткалық циклдің басталуы) арқылы прогрессияны көрсетеді. Сонымен қатар, қоректік заттар жетіспейтін жасушалар баяу өседі, сондықтан олардың өлшемі екі есеге көбеюіне және бөлінуіне көбірек уақыт керек болады. Төмендеген қоректік заттар деңгейі өсу шегін қайта орнатып, жасушаның кішкентай өлшемде клеткалық циклден өтуіне мүмкіндік береді. Жылуға (40°C) немесе сутек пероксиді сияқты тотықтырғыш заттарға ұшырағанда, S. pombe жасушалары қартаюға ұшырайды, бұл жасушаның бөліну уақытының ұлғаюы және жасушаның өлу ықтималдығының артуымен өлшенеді. wee1 мутантты ашытқы жасушалары жабайы типті жасушалардан кішкентай, бірақ клеткалық циклді аяқтау үшін бірдей уақыт қажет. Бұл кішкентай ашытқы жасушаларының баяу өсуіне байланысты, яғни олардың бірлік уақыт ішінде жинаған жалпы массасы қалыпты жасушаларға қарағанда аз. Физон ашытқында жасушаның өлшемі мен митозға енуді үйлестіру үшін кеңістіктік градиент қалыптасады деп есептеледі. Pom1 протеинкиназасы (жасыл) жасуша қабығында орналасқан, ең жоғары концентрациясы жасуша ұштарында байқалады. Жасуша циклын реттейтін Cdr2, Cdr1 және Wee1 жасушаның ортасындағы қабықшалық түйіндерде (көк және қызыл нүктелер) кездеседі. a, Кішкентай жасушаларда Pom1 градиенті қабықтың көптеген түйіндеріне (көк нүктелер) жетеді. Pom1 Cdr2-ні тежейді, Cdr2 және Cdr1-дің Wee1-ді тежеуіне жол бермейді және Wee1-дің Cdk1-ді фосфорилирлеуіне мүмкіндік береді, осылайша циклинге тәуелді киназаның (CDK) активтілігін тежейді және митозға енуін болдырмайды. b, Ұзын жасушаларда Pom1 градиенті қабық түйіндеріне (қызыл нүктелер) жетпейді, сондықтан Cdr2 және Cdr1 түйіндерде активті болып қалады. Cdr2 және Cdr1 Wee1-ді тежейді, Cdk1-дің фосфорилирленуін болдырмайды, осылайша CDK-ның және митозға енудің активтенуіне әкеледі. (Бұл қарапайым схемада CDK активтілігінің басқа да бірнеше реттеушілері көрсетілмеген.)
Жұптастыру түріндегі ауысу
Фиссиондық ашытқы клеткалық циклдің S фазасында жүзеге асылатын репликациямен байланысқан рекомбинация оқиғасы арқылы жұптасу түрін өзгертеді. Фиссиондық ашытқы жұптасу түрін ауыстыру үшін ДНК репликация процесінің ішкі асимметриясын пайдаланады; бұл клетка түрінің өзгеруі үшін репликация бағытының қажеттілігі көрсетілген алғашқы жүйе болды. Жұптасу түрін ауыстыру жүйесін зерттеулер нәтижесінде сайтқа тән репликация тоқтау орны RTS1, сайтқа тән репликация тоқтап қалу орны MPS1 және хромосомалық іздің жаңа түрі табылып, сипатталды, ол жұптасу түрі локусы mat1-дегі бауырлас хроматидтердің бірін белгілейді. Бұған қоса, үнсіз донорлық аймақтағы жұмыстар гетерохроматиннің қалыптасуы мен сақталуын түсінуде маңызды прогреске әкелді.
ДНҚ зақымдануға реакциялар
Schizosaccharomyces pombe – қоректік заттар жетіспеген кезде жұптаса алатын факультативті жыныстық микроорганизм. S. pombe-ны сутегі пероксидіне, тотығу стрессін тудыратын және ДНҚ-ға тотығу зақымын келтіретін затқа ұшырату, жұптасуды және мейоздық споралардың пайда болуын күшті түрде ынталандырады. Бұл жағдай мейоздың, әсіресе мейоздық рекомбинацияның, ДНҚ зақымдарын жөндеуге бейімделу болуы мүмкін екенін көрсетеді. Бұл рекомбинация үшін урацил ДНҚ гликозилазасы қажет, бұл фермент ДНҚ тізбегінен урацилді алып тастап, базалық экзиция жөндеуін бастайды. Осы тұжырымның негізінде, S. pombe-да рекомбинацияны бастау үшін урацил негізін, абаздық орынды немесе бір жіпті үзілісті базалық экзициялық жөндеу жеткілікті деп ұсынылды.
Үлгілік жүйе ретінде
Фиссиондық ашытқы сүтқоректілер, әсіресе адамдар сияқты күрделі организмдерді түсіну үшін жасушаның негізгі принциптерін зерттеуге арналған маңызды модельдік жүйеге айналды. Бұл бір жасушалы эукариот патогенді емес, зертханада өсіру және манипуляциялау оңай. Фиссиондық ашытқы жасушаларындағы жасуша бөлінуіне және ұяшылық ұйымдастыруға жауапты көптеген гендер адам геномында да табылады. Жасуша циклын реттеу және бөліну – кез келген жасушаның өсуі мен дамуы үшін маңызды. Фиссиондық ашытқының сақталған гендері кеңінен зерттелді және соңғы биомедициналық жетістіктердің көптеген себептерінің бірі болып табылады. Фиссиондық ашытқы жасуша бөлінуін бақылау үшін де практикалық модельдік жүйе болып табылады, себебі фиссиондық ашытқы цилиндр тәрізді пішінді, медиалдық бөліну арқылы бөлінетін және көбейетін бір жасушалы эукариоттар болып табылады.
Геном
Schizosaccharomyces pombe көбінесе клеткалық бөліну мен өсуді зерттеу үшін қолданылады, себебі оның геномдық аймақтары сақталған, олар адамдарда да кездеседі, мысалы: гетерохроматин ақуыздары, ірі репликация бастамалары, ірі центромерлер, сақталған жасушалық бақылау бекеттері, теломералардың функциясы, гендердің тіркесуі және көптеген басқа жасушалық процестер. S. pombe геномы 2002 жылы толық секвенцияланды, бұл Геном жобасының аясында секвенцияланған алтыншы эукариот геномы болды. Үш хромосоманың ішінде шамамен 4979 ген табылды, олардың жалпы ДНК көлемі 14 Мб құрайды. Бұл ДНК ядродағы үш түрлі хромосомада орналасқан, центромерлік (40 кб) және теломерлік (260 кб) аймақтарында үзілістер бар. PomBase мәліметтері бойынша, ақуызды кодтайтын гендердің 69% астамы адамдардағы гомологтарына ие, ал олардың 500-ден астамы адам ауруларымен байланысты. Бұл S. pombe-ді адам гендері мен ауру жолдары, әсіресе жасуша циклы және ДНК бақылау бекеттері жүйелерін зерттеу үшін өте қолайлы жүйеге айналдырады. S. pombe геномы мейоздық драйверлер мен драйверді басушыларды, WTF гендері деп аталатын гендерді қамтиды.
Генетикалық әртүрлілік
Фиссиондық ашытқының биологиялық әртүрлілігі мен эволюциялық зерттеуі 20 елден жиналған Schizosaccharomyces pombe 161 штаммы бойынша жүргізілді. Эволюциялық жылдамдықты модельдеу барлық штаммдардың шамамен 2300 жыл бұрын өмір сүрген ортақ ата-тектен шыққандығын көрсетті. Зерттеу сонымен қатар, әрқайсысы ≥1,900 СНП-мен ерекшеленетін 57 фиссиондық ашытқы штаммының жиынтығын анықтады. Көптеген штаммдар ашытылған сусындардан оқшауланғандықтан, осы таралудың экологиялық немесе тарихи контексі жоқ.
Жасушалық циклді талдау
Көптеген зерттеушілер ашытқыдағы ДНҚ репликациясын белсенді түрде зерттеп жатыр. ДНҚ репликациясы, гендік экспрессия және ашытқыдағы сақталған механизмдерді жақсы түсіну зерттеушілерге бұл жүйелердің сүтқоректілердің жасушаларында, әсіресе адам жасушаларында қалай жұмыс істейтіні туралы маңызды ақпарат бере алады. Жасушалық өсу және қартаю сияқты басқа да кезеңдер күрделі жүйелердегі осы механизмдерді түсіну үшін ашытқыда да зерттеледі. S. pombe стационарлық фазадағы жасушалары реактивті оттегі түлерінің өндірілуіне байланысты ДНК зақымдануынан хронологиялық қартаюға ұшырайды. Мұндай зақымдардың көпшілігі ДНҚ базалық экзизиялық жөндеу және нуклеотидтік экзизиялық жөндеу арқылы әдетте жөнделеді. Бұл жөндеу процестеріндегі кемшіліктер тірі қалу деңгейінің төмендеуіне әкеледі. Цитокинез – жасуша бөлінуінің маңызды компоненті, ол көбінесе S. pombe ашытқысында байқалады. Бөліну ашытқысындағы цитокинездің жақсы сақталған компоненттері әртүрлі геномдық сценарийлерді қарастыруға және мутацияларды анықтауға мүмкіндік береді. Цитокинез – жасушаның өмір сүруі үшін өте маңызды және тұрақты кезең. Сызатын сақинаның қалыптасуы, әсіресе, S. pombe-ді үлгі ретінде пайдаланатын зерттеушілер тарапынан кеңінен зерттеледі. Сызатын сақина бөліну ашытқысында да, адам цитокинезінде де жоғары деңгейде сақталған. Бұл бақылау бекеттері кез келген мутагендердің жойылғанын қамтамасыз етеді. Бұл көбінесе цитокинезді кешіктіретін және нысаналардың барлық жердегісін стимуляциялайтын релелік сигналдар арқылы жүзеге асырылады. Бөліну ашытқысын үлгі жүйе ретінде пайдаланатын зерттеушілер органеллалардың динамикасы мен жауаптарын, сондай-ақ ашытқы жасушалары мен сүтқоректілердің жасушалары арасындағы мүмкін байланыстарды да зерттейді. Митохондриялық аурулар және Гольджи аппараты мен эндоплазмалық тор сияқты әртүрлі органелла жүйелерін бөліну ашытқысының хромосомалық динамикасын, ақуыздық экспрессия деңгейлерін және реттелуін бақылау арқылы одан әрі түсінуге болады.
Мейотикалық рекомбинация
RecA және RecA-ға ұқсас белоктар ДНК-ның екі жіпті үзілісін рекомбинациялық жолмен жөндеу үшін қажет. S. pombe-да мейоздық рекомбинациямен байланысты бес RecA-ға ұқсас белок сипатталған, және барлық бес RecA гомологы мейоздық рекомбинацияның қалыпты деңгейі үшін қажет болып көрінеді.