Введение

Вид дрожжей Schizosaccharomyces pombe, также называемый "дрожжами деления", является видом дрожжей, используемым в традиционном пивоварении и в качестве модельного организма в молекулярной и клеточной биологии. Это одноклеточный эукариот, клетки которого имеют форму палочек. Клетки обычно имеют диаметр от 3 до 4 микрометров и длину от 7 до 14 микрометров. Его геном, состоящий примерно из 14,1 миллиона пар оснований, по оценкам, содержит 4970 генов, кодирующих белки, и не менее 450 некодирующих РНК. Эти клетки поддерживают свою форму, растут исключительно за счет клеточных кончиков и делятся посредством медиального деления, образуя две дочерние клетки одинакового размера, что делает их мощным инструментом в исследованиях клеточного цикла. Дрожжи деления были выделены в 1893 году Полом Линднером из восточноафриканского пива из проса. Название вида – pombe, что на языке суахили означает "пиво". Впервые он был разработан в качестве экспериментальной модели в 1950-х годах: Урсом Леупольдом для изучения генетики и Мёрдоком Митчисоном для изучения клеточного цикла. Пол Нурс, исследователь дрожжей деления, успешно объединил независимые школы генетики дрожжей деления и исследований клеточного цикла. Вместе с Ли Хартуэллом и Тимом Хантом, Нурс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2001 году за работы по регуляции клеточного цикла. Последовательность генома S. pombe была опубликована в 2002 году консорциумом под руководством Института Сангера, став шестым модельным эукариотическим организмом, геном которого был полностью секвенирован. Исследователи S. pombe поддерживаются базой данных модельных организмов PomBase MOD. Это полностью раскрыло потенциал этого организма, при этом многие гены, ортологичные человеческим генам, были идентифицированы – на сегодняшний день около 70%, включая многие гены, участвующие в развитии заболеваний человека. В 2006 году была опубликована субклеточная локализация почти всех белков в S. pombe с использованием зеленого флуоресцентного белка в качестве молекулярного маркера. Schizosaccharomyces pombe также стал важным организмом в изучении клеточных реакций на повреждение ДНК и процесса репликации ДНК. Было выделено около 160 природных штаммов S. pombe. Они были собраны в различных местах, включая Европу, Северную и Южную Америку и Азию. Большинство этих штаммов были собраны из культивируемых фруктов, таких как яблоки и виноград, или из различных алкогольных напитков, таких как бразильская кашаса. S. pombe также обнаруживается в ферментированном чае, комбуче. В настоящее время неясно, является ли S. pombe основным ферментатором или контаминантом в таких напитках. Природная экология дрожжей Schizosaccharomyces изучена недостаточно.

История

Schizosaccharomyces pombe был впервые обнаружен в 1893 году, когда группа исследователей, работавшая в лаборатории пивоваренной ассоциации в Германии, изучала осадок, найденный в пиве из проса, импортированном из Восточной Африки, который придавал ему кислый вкус. Термин «шизо», означающий «расщепление» или «деление», ранее использовался для описания других видов Schizosaccharomyces. Добавление слова «помбе» произошло из-за его выделения из восточноафриканского пива, поскольку «помбе» означает «пиво» на языке суахили. Стандартные штаммы S. pombe были выделены Урсом Леупольдом в 1946 и 1947 годах из культуры, полученной им из коллекции дрожжей в Делфте, Нидерланды. Эта культура была депонирована там А. Остервальдером под названием S. pombe var. liquefaciens после его выделения в 1924 году из французского вина (вероятно, прокисшего) на Федеральной экспериментальной станции виноделия и садоводства в Вэденсвиле, Швейцария. Культура, использованная Урсом Леупольдом, содержала (наряду с другими) клетки с типами спаривания h90 (штамм 968), h- (штамм 972) и h+ (штамм 975). Впоследствии были предприняты две масштабные попытки выделить S. pombe из фруктов, нектара или продуктов брожения: одна – Флоренцано и др. в виноградниках западной Сицилии, а другая – Гомес и др. (2002) в четырех регионах юго-восточной Бразилии.

Экология

S. pombe относится к отделу Ascomycota, который является крупнейшим и наиболее разнообразным отделом грибов. Свободноживущие аскомицеты обычно встречаются в соках деревьев, на корнях растений и в окружающей почве, на спелых и гниющих плодах, а также в ассоциации с насекомыми-переносчиками, которые разносят их между субстратами. Многие из этих ассоциаций являются симбиотическими или сапрофитическими, хотя многочисленные аскомицеты (и их близкие родичи базидиомицеты) представляют собой важные патогены растений, поражающие множество видов растений, включая сельскохозяйственные культуры. Среди родов аскомицетных дрожжей дрожжи Schizosaccharomyces уникальны благодаря отложению α(1,3)-глюкана или псевдонигерана в клеточной стенке, в дополнение к более известным β-глюканам и практически полному отсутствию хитина. Виды этого рода также отличаются составом маннанов, содержащих концевые D-галактозные сахара в боковых цепях. S. pombe подвергаются аэробному брожению в присутствии избытка сахара. S. pombe способны разлагать L-яблочную кислоту, одну из основных органических кислот в вине, что отличает их от других штаммов Saccharomyces.

Сравнение с дрожжами в зародыше (Saccharomyces cerevisiae)

Виды дрожжей Schizosaccharomyces pombe и Saccharomyces cerevisiae широко изучаются; эти два вида разошлись примерно 300–600 миллионов лет назад и являются важными инструментами в молекулярной и клеточной биологии. Некоторые из технических различий между этими двумя видами:

S. cerevisiae имеет приблизительно 5600 открытых кадров считывания; S. pombe – приблизительно 5070 открытых кадров считывания. Несмотря на схожее количество генов, S. cerevisiae содержит около 250 интронов, в то время как S. pombe – почти 5000. S. cerevisiae имеет 16 хромосом, S. pombe – 3. S. cerevisiae часто диплоиден, а S. pombe обычно гаплоиден. S. pombe обладает теломерным комплексом, подобным Shelterin, в то время как S. cerevisiae – нет. S. cerevisiae длительное время находится в фазе G1 клеточного цикла (вследствие чего переход G1–S строго контролируется), в то время как S. pombe длительное время остается в фазе G2 клеточного цикла (вследствие чего переход G2–M находится под строгим контролем). Оба вида имеют общие гены с высшими эукариотами, которых нет у другого вида. S. pombe содержит гены механизма РНК-интерференции, подобные тем, что встречаются у позвоночных, в то время как у S. cerevisiae они отсутствуют. S. cerevisiae также имеет значительно упрощенный гетерохроматин по сравнению с S. pombe. И наоборот, S. cerevisiae обладает хорошо развитыми пероксисомами, в то время как S. pombe – нет. S. cerevisiae имеет небольшую точечную центромеру размером 125 п.н. и репликационные начала с четко определенной последовательностью примерно того же размера. В отличие от этого, S. pombe имеет крупные, повторяющиеся центромеры (40–100 кб), более похожие на центромеры млекопитающих, и деградировавшие репликационные начала размером не менее 1 кб.

Пути и клеточные процессы S. pombe

Продукты генов S. pombe (белки и РНК) участвуют во многих клеточных процессах, общих для всех форм жизни. GO slim для шизосахаромицета обеспечивает обобщенный категориальный обзор биологической роли всех продуктов генов S. pombe.

Цитокинез

Общие особенности цитокинеза показаны здесь. Место деления клетки определяется до начала анафазы. Анафазный шпиндель (зеленым на рисунке) затем позиционируется таким образом, чтобы разделенные хромосомы оказались по разные стороны от предопределенной плоскости расщепления.

Контроль размера

В шизосахаромицетах, где рост определяет прохождение через G2/M, мутация wee1 вызывает вход в митоз при аномально малом размере, что приводит к укорочению G2. G1 удлиняется, что позволяет предположить, что прохождение через Start (начало клеточного цикла) чувствительно к росту при потере контроля G2/M. Кроме того, клетки в условиях недостатка питательных веществ растут медленно и, следовательно, требуется больше времени для удвоения размера и деления. Низкий уровень питательных веществ также снижает порог роста, так что клетка прогрессирует через клеточный цикл при меньшем размере. Под воздействием стрессовых условий [тепло (40 °C) или окислитель перекись водорода] клетки S. pombe стареют, что проявляется в увеличении времени деления клеток и повышении вероятности гибели клеток. Наконец, мутантные клетки wee1 шизосахаромицетов меньше клеток дикого типа, но для прохождения клеточного цикла требуется столько же времени. Это возможно, потому что маленькие клетки дрожжей растут медленнее, то есть их прирост общей массы в единицу времени меньше, чем у нормальных клеток. Считается, что пространственный градиент координирует размер клетки и вход в митоз в шизосахаромицетах. Протеинкиназа Pom1 (зеленый) локализована в кортикальный слой клетки, с наибольшей концентрацией на концах клеток. Регуляторы клеточного цикла Cdr2, Cdr1 и Wee1 присутствуют в кортикальных узлах в середине клетки (синие и красные точки). a. В маленьких клетках градиент Pom1 достигает большинства кортикальных узлов (синие точки). Pom1 ингибирует Cdr2, предотвращая ингибирование Wee1 со стороны Cdr2 и Cdr1, и позволяя Wee1 фосфорилировать Cdk1, тем самым инактивируя активность циклинзависимой киназы (CDK) и предотвращая вход в митоз. b. В длинных клетках градиент Pom1 не достигает кортикальных узлов (красные точки), и поэтому Cdr2 и Cdr1 остаются активными в узлах. Cdr2 и Cdr1 ингибируют Wee1, предотвращая фосфорилирование Cdk1 и тем самым приводя к активации CDK и входу в митоз. (В этой упрощенной схеме опущены некоторые другие регуляторы активности CDK.)

Переключение на тип соединения

Шизосахаромицеты переключают тип спаривания посредством события рекомбинации, связанного с репликацией, которое происходит во время S-фазы клеточного цикла. Шизосахаромицеты используют внутреннюю асимметрию процесса репликации ДНК для переключения типа спаривания; это была первая система, в которой было показано, что направление репликации необходимо для изменения типа клетки. Исследования системы переключения типа спаривания привели к обнаружению и характеристике сайта специфической терминации репликации RTS1, сайта специфической паузы репликации MPS1 и нового типа хромосомной метки, маркирующей одну из сестринских хроматид в локусе mat1, определяющем тип спаривания. Кроме того, работа над замолкнувшей донорной областью привела к значительному прогрессу в понимании формирования и поддержания гетерохроматина.

Реакция на повреждение ДНК

Schizosaccharomyces pombe – факультативный половой микроорганизм, который может вступать в спаривание при недостатке питательных веществ. Воздействие на S. pombe перекиси водорода, агента, вызывающего окислительный стресс и приводящего к окислительному повреждению ДНК, сильно индуцирует спаривание и образование мейотических спор. Это указывает на то, что мейоз, и особенно мейотическая рекомбинация, может быть адаптацией для восстановления повреждений ДНК. Для протекания рекомбинации необходима урациловая ДНК-гликозилаза – фермент, удаляющий урацил из цепи ДНК и инициирующий исправление вырезания основания. Исходя из этого, было предложено, что исправление вырезания основания, будь то урациловое основание, абазический участок или одноцепочечный разрыв, достаточно для инициирования рекомбинации в S. pombe.

Как модель системы

Квасные дрожжи стали важной модельной системой для изучения фундаментальных принципов строения клетки, которые можно использовать для понимания более сложных организмов, таких как млекопитающие и, в частности, человек. Этот одноклеточный эукариот не является патогенным и легко культивируется и подвергается манипуляциям в лаборатории. Многие гены, ответственные за деление клеток и клеточную организацию в квасных дрожжах, также присутствуют в геноме человека. Регуляция клеточного цикла и деление критически важны для роста и развития любой клетки. Высококонсервативные гены квасных дрожжей были всесторонне изучены и легли в основу многих недавних достижений в биомедицине. Квасные дрожжи также представляют собой удобную модель для наблюдения за делением клеток, поскольку это одноклеточные эукариоты цилиндрической формы, которые делятся и размножаются посредством медиального деления.

Геном

Schizosaccharomyces pombe часто используется для изучения деления и роста клеток благодаря наличию консервативных геномных областей, также встречающихся у человека, включая: гетерохроматиновые белки, крупные участки начала репликации, крупные центромеры, консервативные клеточные контрольные точки, функцию теломер, сплайсинг генов и множество других клеточных процессов. Геном S. pombe был полностью секвенирован в 2002 году и стал шестым секвенированным эукариотическим геномом в рамках проекта «Геном». В трех хромосомах, содержащих около 14 Мб ДНК, было обнаружено около 4979 генов. Эта ДНК содержится в ядре в трех различных хромосомах, с разрывами в центромерных (40 кб) и теломерных (260 кб) областях. Согласно данным PomBase, у более чем 69% генов, кодирующих белки, есть человеческие ортологи, и более 500 из них связаны с заболеваниями человека. Это делает S. pombe отличной моделью для изучения генов человека и механизмов развития заболеваний, особенно клеточного цикла и систем контроля ДНК. Геном S. pombe содержит мейотические драйверы и супрессоры драйверов, называемые генами wtf.

Генетическое разнообразие

Биоразнообразие и эволюционное исследование дрожжей *Schizosaccharomyces pombe* было проведено на 161 штамме, собранном из 20 стран. Моделирование скорости эволюции показало, что все штаммы произошли от общего предка, существовавшего примерно 2300 лет назад. В ходе исследования также была выявлена группа из 57 штаммов дрожжей, каждый из которых отличался друг от друга не менее чем на 1900 однонуклеотидных полиморфизмов (SNP). Поскольку большинство штаммов дрожжей были выделены из напитков, полученных путем брожения, для этого распространения отсутствует экологический или исторический контекст.

Анализ клеточного цикла

Репликация ДНК в дрожжах все чаще изучается многими исследователями. Дальнейшее понимание репликации ДНК, экспрессии генов и консервативных механизмов в дрожжах может предоставить исследователям информацию о том, как эти системы функционируют в клетках млекопитающих в целом и в клетках человека в частности. Другие стадии, такие как клеточный рост и старение, также изучаются в дрожжах для понимания этих механизмов в более сложных системах. Стационарные клетки *S. pombe* подвергаются хронологическому старению из-за образования реактивных форм кислорода, вызывающих повреждения ДНК. Большинство таких повреждений обычно могут быть восстановлены с помощью эксцизионной репарации оснований ДНК и нуклеотидной эксцизионной репарации. Дефекты в этих процессах репарации приводят к снижению выживаемости. Цитокинез – один из компонентов клеточного деления, который часто наблюдается у шизосахаромицетов. Хорошо консервативные компоненты цитокинеза наблюдаются у шизосахаромицетов и позволяют изучать различные геномные сценарии и выявлять мутации. Цитокинез – это необходимый этап, критически важный для жизнеспособности клетки. В частности, образование сократительного кольца активно изучается исследователями, использующими *S. pombe* в качестве модельной системы. Сократительное кольцо высоко консервативно как у шизосахаромицетов, так и при цитокинезе у человека. Эти контрольные точки обеспечивают элиминацию любых мутагенов, часто посредством передачи сигналов, стимулирующих убиквитинирование мишеней и задерживающих цитокинез. Исследователи, использующие шизосахаромицеты в качестве модельной системы, также изучают динамику и реакцию органелл, а также возможные корреляции между клетками дрожжей и клетками млекопитающих. Болезни митохондрий и различные органелловые системы, такие как аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть, могут быть лучше изучены путем наблюдения за хромосомной динамикой и уровнями экспрессии и регуляции белков у шизосахаромицетов.

Мейотическая рекомбинация

Рекомбинационный ремонт разрывов двойных нитей ДНК требует белков RecA и белков, подобных RecA. В S. pombe описано пять белков, подобных RecA, связанных с мейотической рекомбинацией, и все пять гомологов RecA, по-видимому, необходимы для нормального уровня мейотической рекомбинации.