Az élesztő mint modellszervezet | Minions

A Saccharomyces cerevisiae élesztő genomjának első teljes DNS-szekvenciája több mint egy évvel ezelőtt jelent meg elektronikus formában (1). Kétségtelen, hogy az élesztőbiológusok nemzetközi konzorciumának minden egyes tagja azzal érvelt a saját európai, japán, brit, kanadai vagy amerikai finanszírozási ügynökségének, hogy ez az élesztő kiváló “modellorganizmus” lenne, amely hasznos az emberi DNS-szekvenciák értelmezéséhez és megértéséhez. Mennyire volt igazuk?

Már jóval a genomok szisztematikus szekvenálásának megkezdése előtt világos volt, hogy az élesztőben és az emlősökben vannak olyan gének, amelyek nagyon hasonló fehérjéket kódolnak (2). Néhány homológia – beleértve a molekuláris rendszerek (például a riboszómák és a citoszkeletonok) fehérjéit is – nem volt meglepetés. Néhány azonban egészen váratlan volt. Különösen megragadó korai példa volt az emlős ras proto-onkogén két közeli homológjának (RAS1 és RAS2) felfedezése élesztőben; az élesztősejtek, amelyekből mindkét gén hiányzik, életképtelenek. Ez a rendszer 1985-ben alkalmat adott a funkcionális konzerváltság első szándékos vizsgálatára a sok közül: Az emlős H-ras szekvenciát olyan élesztőtörzsben fejezték ki, amelyből hiányzott mindkét RAS gén, azzal a figyelemre méltó eredménnyel, hogy az életképesség helyreállt, ami nemcsak a szekvencia, hanem a részletes biológiai funkció mélyreható megőrzését is jelzi (3).

A teljes élesztő genomszekvencia birtokában meg tudjuk becsülni, hogy hány élesztőgénnek van jelentős emlős homológja. Összehasonlítottuk (4) az összes élesztőfehérje-szekvenciát a GenBankban található emlős szekvenciákkal . Az eredmény (lásd a táblázatot) biztató: Az élesztő összes potenciális fehérjekódoló génjének (nyitott olvasókeretek, vagy ORF-ek) közel 31%-a esetében találtunk statisztikailag robusztus homológot az emlősök fehérjeszekvenciái között (5). Ez egyértelműen alulbecslés, hiszen az adatbázisok biztosan nem tartalmazzák még az összes emlősfehérje szekvenciáját, sőt még csak nem is minden fehérjecsalád képviselőit. E hasonlóságok közül sok egyedi doménekre, és nem egész fehérjékre vonatkozik, ami kétségtelenül a fehérjék evolúciójára jellemző funkcionális domének keveredését tükrözi.

Noha az S. cerevisiae a legjobban tanulmányozott kísérleti szervezetek közé tartozik, génjeinek 60%-a még mindig nem rendelkezik kísérletileg meghatározott funkcióval. Ezek közül a többségnek mégis van valamilyen hasonlósága vagy motívuma, amely lehetséges funkcióra utal, de körülbelül 25%-uknak (a tényleges szám szerint) nincs semmilyen nyom. A táblázat adatainak összeállításakor megfigyeltük, hogy az emlős szekvenciákkal homológiát mutató gének esetében sokkal kisebb a valószínűsége annak, hogy semmi kísérleti ismeret nincs a funkciójukról. Az emlős homológokkal rendelkező élesztőgének mindössze 34%-ának nincs funkciója a Saccharomyces Genome Database-ben; szemben a legerősebb homológiával rendelkező gének kevesebb mint 25%-ával. Ennek okát nem ismerjük, bár nem zárjuk ki azt az optimista elképzelést, hogy az élesztőbiológusoknak sikerült a legfontosabb génekre (a legvalószínűbb konzerváltságúakra) koncentrálniuk.

Az a valószínűsége tehát, hogy egy újonnan felfedezett emberi génnek lesz egy élesztő-homológja, amelynek legalább valamelyik doménjéről van funkcionális információ, meglehetősen jó. Az élesztőben a genetikai manipuláció könnyű és olcsó, míg az ilyen manipuláció, még ha lehetséges is emlős rendszerekben, nem könnyű és nem olcsó. Emellett lehetőség van a funkcionális kompatibilitás kihasználására a RAS-gének esetében fentebb leírt módszerrel. Legalább 71 emberi gén kiegészíti az élesztőmutációkat; ez minden bizonnyal alulbecsült adat (6). Így az emberi génekről az élesztő homológjaik tanulmányozásából nyert információnak kiváló ára van.

Az élesztő mint modellrendszer értékének talán legjobb példái olyan emberi betegséggénekre vonatkoznak, amelyeket kapcsolatrendszerrel térképeztek fel, pozicionálisan klónoztak, majd szekvenáltak. Általában semmit sem tudunk ezekről a génekről azon túl, hogy öröklődésük betegséget eredményez. A gén szekvenciája általában más szervezetek, általában az S. cerevisiae génjeivel való homológia révén adja az első támpontot a funkcióra (7). A legjobb egyezések közé tartoznak az örökletes nem polipozitású vastagbélrákot okozó emberi gének (MSH2 és MLH1 élesztőben), az 1-es típusú neurofibromatózis (IRA2 élesztőben), az ataxia telangiectasia (TEL1 élesztőben) és a Werner-szindróma (SGS1 élesztőben). Ezek közül kettőnek különösen szemléletes története van.

Az öröklődő nem polipozitású vastagbélrákok sejtes fenotípusa: rövid ismétlődő szekvenciák instabilitása a tumorsejtekben. Ezen az eredményen felbuzdulva, és még mielőtt a humán géneket klónozták volna, élesztőkutatók izolálták az élesztőgének azonos fenotípussal rendelkező mutációit (köztük az MSH2 és az MLHI mutációit), megjósolva, hogy a vastagbélrákgének valószínűleg ezek homológjai (8).

A Werner-szindróma a korai öregedés számos jellemzőjével járó betegség. Ismét van egy sejtes fenotípus, amely magában foglalja a csökkent élettartamot kultúrában. A humán gén szekvenciája nagyon hasonlónak bizonyult az élesztő SGS1 génjéhez, amely egy DNS-helikázt kódol. E szám 1313. oldalán Sinclair és munkatársai (9) arról számolnak be, hogy az SGS1 mutáns élesztősejtek jelentősen csökkent élettartammal rendelkeznek, és más sejtfenotípusokon is osztoznak a Werner-szindrómás egyének sejtjeivel.

Az élesztő tehát valóban hasznos “modellnek” bizonyult az eukarióta biológia számára. Bőségesen indokolt, hogy fokozzuk az erőfeszítéseket az élesztőgének fennmaradó 60%-ának, amelyek funkciója még mindig nem ismert, funkcionális szerepének meghatározására. Számos egyéni ok is indokolja, hogy még nagyobb figyelmet fordítsunk az olyan génekre, mint az MSH2 és az SGS1. Ezek az élesztőgének jelenthetik a leghatékonyabb utat a humán homológjaik mutációi által okozott vastagbélrák és öregedés megértéséhez.