Jäst som modellorganism | Minions

Den första kompletta DNA-sekvensen av ett eukaryotiskt genom, jästen Saccharomyces cerevisiae, publicerades i elektronisk form för mer än ett år sedan (1). Utan tvekan framförde varje medlem av det internationella konsortiet av jästbiologer argumentet till sitt eget finansieringsorgan i Europa, Japan, Storbritannien, Kanada eller USA att denna jäst skulle vara en utmärkt ”modellorganism”, användbar för att tolka och förstå mänskliga DNA-sekvenser. Hur rätt hade de?

Det stod klart långt innan den systematiska sekvenseringen av genomer började att det finns gener i jäst och däggdjur som kodar för mycket liknande proteiner (2). Vissa homologier – inklusive proteiner i molekylära system (t.ex. ribosomer och cytoskelett) – var ingen överraskning. Några var dock helt oväntade. Ett särskilt häpnadsväckande tidigt exempel var upptäckten i jäst av två nära homologer (RAS1 och RAS2) till däggdjurens proto-onkogen ras; jästceller som saknar båda generna är livlösa. År 1985 var detta system anledningen till det första av många avsiktliga tester av funktionell bevarande: Däggdjurens H-ras-sekvens uttrycktes i en jäststam som saknade båda RAS-generna, med det anmärkningsvärda resultatet att livsdugligheten återställdes, vilket tyder på en djupgående bevarande, inte bara av sekvensen utan också av den detaljerade biologiska funktionen (3).

Med hela sekvensen av jästgenomet i handen kan vi uppskatta hur många jästgener som har betydande homologer till däggdjur. Vi jämförde (4) alla jästproteinsekvenser med däggdjurssekvenserna i GenBank . Resultatet (se tabellen) är uppmuntrande: För nästan 31 % av alla potentiella proteinkodande gener i jäst (öppna läsramar, eller ORF:er) fann vi en statistiskt robust homolog bland däggdjurens proteinsekvenser (5). Detta är helt klart en underskattning, eftersom databaserna säkerligen ännu inte innehåller sekvenserna för alla däggdjursproteiner eller ens representanter för varje proteinfamilj. Många av dessa likheter avser enskilda domäner och inte hela proteiner, vilket utan tvekan återspeglar den blandning av funktionella domäner som är karakteristisk för proteinevolutionen.

Även om S. cerevisiae är en av de bäst studerade försöksorganismerna har 60 % av dess gener fortfarande ingen experimentellt fastställd funktion. Av dessa har majoriteten ändå någon likhet eller något motiv som tyder på möjliga funktioner, vilket gör att cirka 25 % (enligt den faktiska siffran) inte har någon som helst ledtråd. När vi sammanställde uppgifterna i tabellen observerade vi att det är mycket mindre sannolikt att gener med homologi till däggdjurssekvenser inte har någon experimentell kunskap om sin funktion. Endast 34 % av alla jästgener med homologer från däggdjur har ingen funktion i Saccharomyces Genome Database, jämfört med mindre än 25 % av de gener som har den starkaste homologin. Vi känner inte till orsaken till detta, även om vi inte utesluter den optimistiska tanken att jästbiologerna har lyckats koncentrera sig på de viktigaste generna (de som med största sannolikhet är bevarade).

Sannolikheten för att en nyupptäckt mänsklig gen kommer att ha en homolog från jäst med åtminstone viss funktionell information om en av dess domäner är alltså ganska god. Genetisk manipulation i jäst är lätt och billig, medan sådan manipulation, även om den är möjlig i däggdjursystem, varken är lätt eller billig. Det finns dessutom möjlighet att utnyttja funktionell kompatibilitet genom den metod som beskrivs ovan för RAS-generna. Minst 71 mänskliga gener kompletterar mutationer i jäst; detta är säkert en underskattning (6). Information om mänskliga gener som man lär sig genom att studera deras homologer i jäst har således ett utmärkt pris.

De bästa exemplen på värdet av jäst som modellsystem gäller sannolikt mänskliga sjukdomsgener som har kartlagts genom koppling, positionellt klonats och sedan sekvenserats. Vanligtvis vet man ingenting om dessa gener utöver det faktum att deras nedärvning leder till sjukdom. Genens sekvens ger i allmänhet den första ledtråden till funktionen genom homologi med gener från andra organismer, vanligen S. cerevisiae (7). Bland de bästa överensstämmelserna finns de mänskliga gener som orsakar ärftlig icke-polyposisk tjocktarmscancer (MSH2 och MLH1 i jäst), neurofibromatos typ 1 (IRA2 i jäst), ataxia telangiectasia (TEL1 i jäst) och Werners syndrom (SGS1 i jäst). Två av dessa har särskilt illustrativa historier.

Förmlig icke-polyposisk tjocktarmscancer har en cellulär fenotyp: instabilitet av korta upprepade sekvenser i tumörcellerna. Stimulerade av detta resultat, och redan innan de mänskliga generna hade klonats, isolerade jästforskare mutationer i jästgener med samma fenotyp (bland annat mutationer i MSH2 och MLHI) och förutspådde att tjocktarmscancergenerna sannolikt var deras homologer (8).

Werners syndrom är en sjukdom med flera kännetecken på för tidigt åldrande. Återigen finns det en cellulär fenotyp, som inkluderar en minskad livslängd i kultur. Sekvensen för den mänskliga genen visade sig vara mycket lik den för genen SGS1 från jäst, som kodar för ett DNA-helikas. På sidan 1313 i detta nummer rapporterar Sinclair et al. (9) att SGS1-muterade jästceller har en markant förkortad livslängd och delar andra cellfenotyper med celler från individer med Werners syndrom.

Så jäst har verkligen visat sig vara en användbar ”modell” för eukaryotisk biologi. Det finns gott om skäl att intensifiera ansträngningarna för att fastställa de funktionella rollerna hos de återstående 60 % av jästgener vars funktion fortfarande är okänd. Det finns också många individuella skäl att ägna ännu mer uppmärksamhet åt gener som MSH2 och SGS1. Dessa jästgener kan utgöra den mest effektiva vägen till förståelse av tjocktarmscancer och åldrande som orsakas av mutationer i deras mänskliga homologer.