Il lievito come organismo modello | Minions

La prima sequenza completa del DNA di un genoma eucariotico, quella del lievito Saccharomyces cerevisiae, è stata rilasciata in forma elettronica più di un anno fa (1). Senza dubbio, ogni membro del consorzio internazionale di biologi del lievito ha argomentato alla propria agenzia di finanziamento in Europa, Giappone, Gran Bretagna, Canada o Stati Uniti che questo lievito sarebbe stato un ottimo “organismo modello”, utile per interpretare e comprendere le sequenze del DNA umano. Quanto avevano ragione?

Era chiaro molto prima che il sequenziamento sistematico dei genomi iniziasse che ci sono geni nel lievito e nei mammiferi che codificano proteine molto simili (2). Alcune omologie – incluse le proteine dei sistemi molecolari (per esempio, i ribosomi e i citoscheletri) – non erano una sorpresa. Alcune, invece, erano del tutto inaspettate. Un esempio precoce particolarmente sorprendente è stata la scoperta nel lievito di due omologhi vicini (RAS1 e RAS2) del proto-oncogene ras dei mammiferi; le cellule di lievito prive di entrambi i geni sono invincibili. Nel 1985 questo sistema fu l’occasione per la prima di molte prove deliberate di conservazione funzionale: La sequenza H-ras dei mammiferi è stata espressa in un ceppo di lievito privo di entrambi i geni RAS, con il notevole risultato che la vitalità è stata ripristinata, indicando una profonda conservazione non solo della sequenza, ma anche della funzione biologica dettagliata (3).

Con l’intera sequenza del genoma del lievito in mano, possiamo stimare quanti geni del lievito hanno significativi omologhi dei mammiferi. Abbiamo confrontato (4) tutte le sequenze di proteine del lievito con le sequenze dei mammiferi in GenBank. Il risultato (vedi tabella) è incoraggiante: Per quasi il 31% di tutti i potenziali geni codificanti proteine del lievito (open reading frames, o ORF), abbiamo trovato un omologo statisticamente robusto tra le sequenze proteiche dei mammiferi (5). Questa è chiaramente una sottostima, poiché i database sicuramente non contengono ancora le sequenze di tutte le proteine dei mammiferi e nemmeno i rappresentanti di ogni famiglia proteica. Molte di queste somiglianze riguardano domini individuali e non proteine intere, riflettendo senza dubbio il rimescolamento dei domini funzionali caratteristico dell’evoluzione delle proteine.

Anche se S. cerevisiae è tra gli organismi sperimentali più studiati, il 60% dei suoi geni non ha ancora una funzione determinata sperimentalmente. Di questi, la maggior parte ha comunque qualche somiglianza o motivo che suggerisce possibili funzioni, lasciando circa il 25% (per numero effettivo) senza alcun indizio. Nel compilare i dati nella tabella, abbiamo osservato che i geni con omologia a sequenze di mammiferi sono molto meno probabili di avere nulla di sperimentalmente noto della loro funzione. Solo il 34% dell’intera serie di geni di lievito con omologo dei mammiferi non ha alcuna funzione elencata nel Saccharomyces Genome Database, rispetto a meno del 25% dei geni che hanno l’omologia più forte. Non conosciamo la ragione di questo, anche se non escludiamo l’idea ottimistica che i biologi del lievito siano riusciti a concentrarsi sui geni più importanti (quelli più probabilmente conservati).

La probabilità che un gene umano appena scoperto abbia un omologo del lievito con almeno qualche informazione funzionale su uno dei suoi domini è quindi abbastanza buona. La manipolazione genetica nel lievito è facile ed economica, mentre tale manipolazione, anche quando è possibile nei sistemi dei mammiferi, non è né facile né economica. C’è inoltre l’opportunità di sfruttare la compatibilità funzionale con il metodo descritto sopra per i geni RAS. Almeno 71 geni umani completano le mutazioni del lievito; questa è sicuramente una sottostima (6). Così, le informazioni sui geni umani apprese dallo studio dei loro omologhi del lievito hanno un prezzo eccellente.

Probabilmente i migliori esempi del valore del lievito come sistema modello riguardano i geni delle malattie umane che sono stati mappati per linkage, clonati in posizione e poi sequenziati. Di solito non si sa nulla di questi geni oltre al fatto che la loro ereditarietà porta alla malattia. La sequenza del gene fornisce generalmente il primo indizio di funzione attraverso l’omologia con i geni di altri organismi, comunemente S. cerevisiae (7). Tra le migliori corrispondenze ci sono i geni umani che causano il cancro al colon ereditario non poliposico (MSH2 e MLH1 nel lievito), la neurofibromatosi di tipo 1 (IRA2 nel lievito), l’atassia telangiectasia (TEL1 nel lievito) e la sindrome di Werner (SGS1 nel lievito). Due di questi hanno storie particolarmente illustrative.

I cancri del colon non poliposi ereditati hanno un fenotipo cellulare: instabilità di brevi sequenze ripetute nelle cellule tumorali. Stimolati da questo risultato, e ancora prima che i geni umani fossero stati clonati, i ricercatori del lievito hanno isolato mutazioni in geni del lievito con lo stesso fenotipo (incluse mutazioni in MSH2 e MLHI), prevedendo che i geni del cancro del colon fossero probabilmente i loro omologhi (8).

La sindrome di Werner è una malattia con diversi segni di invecchiamento precoce. Anche in questo caso c’è un fenotipo cellulare, che include una ridotta durata di vita in coltura. La sequenza del gene umano è stata trovata altamente simile a quella del gene SGS1 del lievito, che codifica una elicasi del DNA. A pagina 1313 di questo numero, Sinclair et al. (9) riferiscono che le cellule di lievito mutanti SGS1 hanno una durata di vita marcatamente ridotta e condividono altri fenotipi cellulari con cellule di individui con la sindrome di Werner.

Il lievito si è quindi rivelato un utile “modello” per la biologia eucariotica. C’è un’ampia giustificazione per intensificare gli sforzi per determinare i ruoli funzionali del restante 60% dei geni del lievito la cui funzione non è ancora nota. Ci sono anche molte ragioni individuali per concentrare ancora di più l’attenzione su geni come MSH2 e SGS1. Questi geni di lievito possono rappresentare il percorso più efficiente per comprendere il cancro del colon e l’invecchiamento causato da mutazioni nei loro omologhi umani.