Kvasinky jako modelový organismus | Minions

Před více než rokem byla v elektronické podobě zveřejněna první kompletní sekvence DNA eukaryotického genomu kvasinky Saccharomyces cerevisiae (1). Není pochyb o tom, že každý člen mezinárodního konsorcia biologů zabývajících se kvasinkami předložil své vlastní finanční agentuře v Evropě, Japonsku, Británii, Kanadě nebo Spojených státech argument, že tato kvasinka bude skvělým „modelovým organismem“, užitečným pro interpretaci a pochopení sekvencí lidské DNA. Jakou měli pravdu?

Dlouho před zahájením systematického sekvenování genomů bylo jasné, že u kvasinek a savců existují geny, které kódují velmi podobné proteiny (2). Některé homologie – včetně proteinů molekulárních systémů (například ribozomů a cytoskeletů) – nebyly žádným překvapením. Některé však byly zcela nečekané. Zvláště zarážejícím příkladem na počátku byl objev dvou blízkých homologů (RAS1 a RAS2) savčího proto-onkogenu ras u kvasinek; kvasinkové buňky, kterým chybí oba geny, jsou neživotaschopné. V roce 1985 se tento systém stal příležitostí k prvnímu z mnoha záměrných testů funkční konzervace: Sekvence H-ras savců byla exprimována v kvasinkovém kmeni, kterému chyběly oba geny RAS, s pozoruhodným výsledkem, že životaschopnost byla obnovena, což svědčí o hlubokém zachování nejen sekvence, ale také detailní biologické funkce (3).

Máme-li k dispozici celou sekvenci kvasinkového genomu, můžeme odhadnout, kolik kvasinkových genů má významné savčí homology. Porovnali jsme (4) všechny sekvence kvasinkových proteinů se savčími sekvencemi v GenBank . Výsledek (viz tabulka) je povzbudivý: Pro téměř 31 % všech potenciálních protein kódujících genů kvasinek (otevřených čtecích rámců neboli ORF) jsme našli statisticky průkazný homolog mezi proteinovými sekvencemi savců (5). To je zjevně podhodnocený údaj, protože databáze jistě ještě neobsahují sekvence všech savčích proteinů nebo dokonce zástupců všech proteinových rodin. Mnohé z těchto podobností se týkají jednotlivých domén, nikoliv celých proteinů, což nepochybně odráží promíchávání funkčních domén charakteristické pro evoluci proteinů.

Přestože S. cerevisiae patří mezi nejlépe prostudované experimentální organismy, 60 % jejích genů stále nemá experimentálně určenou funkci. Z nich většina má nicméně nějakou podobnost nebo motiv naznačující možné funkce, takže asi 25 % (podle skutečného počtu) nemá žádné vodítko. Při sestavování údajů v tabulce jsme si všimli, že geny s homologií se savčími sekvencemi mají mnohem menší pravděpodobnost, že o jejich funkci není nic experimentálně známo. Pouze 34 % z celého souboru kvasinkových genů s homology pro savce nemá žádnou funkci uvedenou v databázi genomu Saccharomyces; ve srovnání s méně než 25 % genů s nejsilnější homologií. Důvod tohoto stavu neznáme, i když nevylučujeme optimistickou myšlenku, že se kvasinkovým biologům podařilo soustředit na nejdůležitější geny (ty, u nichž je největší pravděpodobnost, že budou konzervovány).

Pravděpodobnost, že nově objevený lidský gen bude mít kvasinkový homolog s alespoň nějakou funkční informací o jedné z jeho domén, je tedy poměrně velká. Genetická manipulace v kvasinkách je snadná a levná, zatímco taková manipulace, i když je možná v savčích systémech, není ani snadná, ani levná. Kromě toho existuje možnost využít funkční kompatibilitu metodou popsanou výše pro geny RAS. Nejméně 71 lidských genů doplňuje kvasinkové mutace; tento počet je jistě podhodnocený (6). Informace o lidských genech získané studiem jejich kvasinkových homologů mají tedy vynikající cenu.

Pravděpodobně nejlepší příklady hodnoty kvasinek jako modelového systému se týkají lidských chorobných genů, které byly zmapovány vazbou, pozičně klonovány a poté sekvenovány. Obvykle se o těchto genech neví nic jiného než to, že jejich dědičnost vede k onemocnění. Sekvence genu obvykle poskytuje první vodítko k funkci prostřednictvím homologie s geny jiných organismů, běžně S. cerevisiae (7). Mezi nejlepší shody patří lidské geny, které způsobují dědičnou nepolypózní rakovinu tlustého střeva (MSH2 a MLH1 u kvasinek), neurofibromatózu typu 1 (IRA2 u kvasinek), ataxia telangiectasia (TEL1 u kvasinek) a Wernerův syndrom (SGS1 u kvasinek). Dva z nich mají obzvláště ilustrativní příběhy.

Dědičné nepolypózní karcinomy tlustého střeva mají buněčný fenotyp: nestabilitu krátkých opakujících se sekvencí v nádorových buňkách. Podníceni tímto výsledkem a ještě předtím, než byly klonovány lidské geny, izolovali výzkumníci kvasinek mutace v kvasinkových genech se stejným fenotypem (včetně mutací v MSH2 a MLHI) a předpověděli, že geny rakoviny tlustého střeva jsou pravděpodobně jejich homology (8).

Wernerův syndrom je onemocnění s několika charakteristickými znaky předčasného stárnutí. Opět existuje buněčný fenotyp, který zahrnuje zkrácenou délku života v kultuře. Bylo zjištěno, že sekvence lidského genu je velmi podobná sekvenci kvasinkového genu SGS1, který kóduje DNA helikázu. Na straně 1313 tohoto čísla Sinclair a spol. uvádějí (9), že kvasinkové buňky mutované na SGS1 mají výrazně zkrácenou délku života a sdílejí další buněčné fenotypy s buňkami jedinců s Wernerovým syndromem.

Kvasinky se tedy skutečně ukázaly jako užitečný „model“ pro eukaryotickou biologii. Existuje dostatek důvodů pro zintenzivnění úsilí o určení funkčních rolí zbývajících 60 % kvasinkových genů, jejichž funkce dosud není známa. Stejně tak existuje mnoho individuálních důvodů, proč věnovat ještě větší pozornost genům, jako jsou MSH2 a SGS1. Tyto kvasinkové geny mohou představovat nejúčinnější cestu k pochopení rakoviny tlustého střeva a stárnutí způsobeného mutacemi v jejich lidských homolozích

.