Yeast as a Model Organism | Minions

Pierwsza kompletna sekwencja DNA genomu eukariotycznego, genomu drożdży Saccharomyces cerevisiae, została opublikowana w formie elektronicznej ponad rok temu (1). Bez wątpienia, każdy z członków międzynarodowego konsorcjum biologów drożdży argumentował do swojej agencji finansującej w Europie, Japonii, Wielkiej Brytanii, Kanadzie lub Stanach Zjednoczonych, że drożdże te będą doskonałym „organizmem modelowym”, przydatnym do interpretacji i zrozumienia sekwencji ludzkiego DNA. Jak bardzo mieli rację?

Jasne było na długo przed rozpoczęciem systematycznego sekwencjonowania genomów, że istnieją geny w drożdżach i ssakach, które kodują bardzo podobne białka (2). Niektóre podobieństwa – w tym białka systemów molekularnych (na przykład rybosomów i cytoszkieletów) – nie były zaskoczeniem. Niektóre jednak były całkiem nieoczekiwane. Szczególnie zaskakującym wczesnym przykładem było odkrycie u drożdży dwóch bliskich homologów (RAS1 i RAS2) ssaczego proto-onkogenu ras; komórki drożdży pozbawione obu genów są niezdolne do życia. W 1985 roku system ten stał się okazją do pierwszego z wielu celowych testów zachowania funkcji: Sekwencja H-ras ssaków została wyrażona w szczepie drożdży pozbawionym obu genów RAS, z niezwykłym rezultatem, że żywotność została przywrócona, wskazując na głęboką konserwację nie tylko sekwencji, ale także szczegółowej funkcji biologicznej (3).

Mając w ręku całą sekwencję genomu drożdży, możemy oszacować, ile genów drożdży ma znaczących homologów ssaków. Porównaliśmy (4) wszystkie sekwencje białek drożdżowych z sekwencjami ssaków w GenBank . Wynik (patrz tabela) jest zachęcający: Dla prawie 31% wszystkich potencjalnych genów kodujących białka drożdży (otwarte ramki odczytu, lub ORFs), znaleźliśmy statystycznie solidny homolog wśród sekwencji białek ssaków (5). Jest to oczywiście niedoszacowanie, ponieważ bazy danych z pewnością nie zawierają jeszcze sekwencji wszystkich białek ssaków, a nawet przedstawicieli każdej rodziny białek. Wiele z tych podobieństw dotyczy pojedynczych domen, a nie całych białek, co bez wątpienia odzwierciedla przemieszanie domen funkcjonalnych charakterystyczne dla ewolucji białek.

Mimo że S. cerevisiae należy do najlepiej zbadanych organizmów doświadczalnych, 60% jej genów wciąż nie ma doświadczalnie określonej funkcji. Większość z nich wykazuje jednak pewne podobieństwo lub motyw sugerujący możliwą funkcję, pozostawiając około 25% (według rzeczywistej liczby) bez żadnej wskazówki. Zestawiając dane w tabeli, zauważyliśmy, że geny o homologii do sekwencji ssaków są znacznie mniej prawdopodobne, że nie wiadomo nic doświadczalnie o ich funkcji. Tylko 34% z całego zestawu genów drożdżowych z homologami ssaków nie ma żadnej funkcji wymienionej w Saccharomyces Genome Database; w porównaniu z mniej niż 25% genów o najsilniejszej homologii. Nie znamy przyczyny takiego stanu rzeczy, choć nie wykluczamy optymistycznej tezy, że biologom drożdży udało się skoncentrować na najważniejszych genach (tych, które najprawdopodobniej są konserwowane).

Prawdopodobieństwo, że nowo odkryty gen ludzki będzie miał drożdżowego homologa z przynajmniej pewną informacją funkcjonalną o jednej z jego domen jest więc całkiem spore. Manipulacja genetyczna w drożdżach jest łatwa i tania, podczas gdy taka manipulacja, nawet jeśli jest możliwa w systemach ssaków, nie jest ani łatwa, ani tania. Istnieje ponadto możliwość wykorzystania funkcjonalnej zgodności za pomocą metody opisanej powyżej dla genów RAS. Co najmniej 71 ludzkich genów uzupełnia mutacje drożdżowe; jest pewne, że jest to wartość zaniżona (6). Tak więc, informacje o ludzkich genach uzyskane z badania ich drożdżowych homologów są w doskonałej cenie.

Prawdopodobnie najlepsze przykłady wartości drożdży jako systemu modelowego dotyczą ludzkich genów chorobowych, które zostały zmapowane przez powiązanie, sklonowane pozycyjnie, a następnie sekwencjonowane. Zazwyczaj nic nie wiadomo o tych genach poza faktem, że ich dziedziczenie skutkuje chorobą. Sekwencja genu generalnie dostarcza pierwszej wskazówki co do funkcji poprzez homologię z genami innych organizmów, zwykle S. cerevisiae (7). Do najlepiej dopasowanych należą ludzkie geny powodujące dziedzicznego niepolipowatego raka jelita grubego (MSH2 i MLH1 w drożdżach), neurofibromatozę typu 1 (IRA2 w drożdżach), ataksję telangiektazję (TEL1 w drożdżach) i zespół Wernera (SGS1 w drożdżach). Dwa z nich mają szczególnie ilustracyjne historie.

Odziedziczone niepolipowatości raka jelita grubego mają fenotyp komórkowy: niestabilność krótkich powtarzających się sekwencji w komórkach nowotworowych. Pobudzeni tym wynikiem, jeszcze przed sklonowaniem ludzkich genów, badacze wyizolowali mutacje w genach drożdży o tym samym fenotypie (w tym mutacje w MSH2 i MLHI), przewidując, że geny raka jelita grubego będą prawdopodobnie ich homologami (8).

Zespół Wernera jest chorobą z kilkoma cechami przedwczesnego starzenia się. Ponownie jest fenotyp komórkowy, który obejmuje zmniejszoną żywotność w kulturze. Sekwencja ludzkiego genu okazała się być bardzo podobna do sekwencji drożdżowego genu SGS1, który koduje helikazę DNA. Na stronie 1313 tego wydania, Sinclair et al. (9) donoszą, że zmutowane komórki drożdży SGS1 mają znacznie zmniejszoną długość życia i dzielą inne fenotypy komórkowe z komórkami pochodzącymi od osób z zespołem Wernera.

Drożdże rzeczywiście okazały się użytecznym „modelem” dla biologii eukariotycznej. Istnieje szerokie uzasadnienie dla zintensyfikowania wysiłków w celu określenia funkcjonalnych ról pozostałych 60% genów drożdżowych, których funkcje nadal nie są znane. Istnieje również wiele indywidualnych powodów, aby skupić jeszcze więcej uwagi na takich genach jak MSH2 i SGS1. Te geny drożdżowe mogą stanowić najbardziej efektywną drogę do zrozumienia raka jelita grubego i starzenia się spowodowanego mutacjami w ich ludzkich homologach.