酿酒酵母是广泛用于世界各地实验室的模式生物之一。由于这种酵母的基因组已被测序，容易进行遗传操作，且易于培养。使得他成为了解基本细胞进程：如细胞分裂和凋亡的宝贵资源。
酵母属于真核生物域（和蘑菇、霉菌一样，酿酒酵母同属真菌门，它们都具有由几丁质构成的细胞壁。几丁质是一种多糖，不仅见于真菌，也存在于昆虫和甲壳类的外骨骼）
酿酒酵母
1. 酵母的生长特性
自然界中，酿酒酵母生活在温暖、湿润、糖分高的环境中。
酵母喜欢生长在葡萄园
在显微镜下观察酵母细胞，通常呈圆形或椭圆形，直径5-10um，大多数的真核生物采用有丝分裂和减数分裂，使得等量的遗传物质和细胞质分配到子细胞中。
酿酒酵母的形态
但是酿酒酵母采用出芽生殖的方式进行细胞分裂。这种无性生殖的过程包括：先在母细胞上生成一个新芽，新芽在整个细胞周期中不停长大，直到发生胞质分裂。不同于典型的真核生物细胞分裂，酿酒酵母的有丝分裂产生两个大小不同的子细胞。
微信截图_20220327191811.png
为什么酵母是一个非常好的用于研究的模式生物？
- 酵母细胞生长迅速，大约每90min分裂一次
- 易于培养，仅需简单的设备和技术就可繁殖
- 酿酒酵母作为第一个基因组被完全测序的真核生物，其基因序列可通过酵母基因组数据库公开获得 www.yeastgenome.org
- 遗传操作方便
2. 遗传特点
2.1 蛋白同源
许多来自酵母的蛋白质与其他真核生物中的蛋白质有相似的序列，这些蛋白质通常是同源的，它们相似的序列说明这些生物具有共同的祖先。
酵母的蛋白质与其他真核生物中的蛋白质有相似的序列
应用举例：通过研究一个已知的酵母蛋白质的功能，研究人员可以了解到该蛋白质在高等真核生物，如人类中的作用。
酵母蛋白与人类蛋白
2.2 遗传操作的优势
同源重组：通过置换两段相同或相似序列之间的DNA，将载体与宿主基因组DNA的遗传信息进行交换。通过这种方式可以进行基因的敲除或置换。此外，同源重组将外源DNA整合到宿主基因组，所造成的遗传变化在酵母细胞分裂后仍然保留。
同源重组的原理-1
同源重组的原理-2
酵母质粒载体是基因表达载体的一种，既可以在大肠杆菌中、又可以在酵母系统中进行复制与扩增，所以也称为穿梭载体。
微信截图_20220327182024.png
它分为整合载体和自我复制载体两类。
- ①整合载体：它带有一个酵母URA3标志基因和大肠杆菌的复制和报告基因。
-
②自我复制载体：该类载体在酵母中可以自我复制。
例如，分子克隆在大肠杆菌中进行，将水母的荧光蛋白基因整合到穿梭载体中，然后整合到酵母中，表达发光。
水母荧光蛋白
酵母整合新质粒是穿梭载体的一种，它可通过同源重组，将外缘DNA插入到酵母基因组当中（同源重组指的是通过置换两段相同或相似序列之间的DNA，将载体和宿主基因组DNA的遗传信息进行交换），通过这种方式进行基因敲除或基因置换。
此外，由于同源重组将外源DNA整合到宿主基因组所造成的遗传变化，在酵母细胞分裂后仍然会被保留。
3. 酵母发展史
3.1 公元前6000年
酵母用于葡萄发酵，生产葡萄酒
酵母用于生产葡萄酒
在古埃及，酵母被用来制作面包
酵母用于面包制作
3.2 1856年
巴斯德发现酵母是酒类酿造和面包制备过程中的关键微生物
巴斯德发现酵母
3.3 1970年
Hartwell 和 Nurse在酵母中发现了调控细胞周期的蛋白
Hartwell 和 Nurse在酵母中发现了调控细胞周期的蛋白
细胞周期是一系列的细胞事件，包括细胞分裂前和DNA的正确复制和分离。细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶的发现，以及它们在细胞间期和有丝分裂期相对含量的变化，表明这些蛋白是细胞分裂的关键调控因子。
细胞周期蛋白
这些蛋白的高度保守性，使得在酵母中对他们的研究非常有价值，可帮助我们了解细胞周期蛋白依赖性激酶在多细胞生物中的作用，如细胞周期的失调会导致细胞分裂不受控制，甚至癌症。
细胞周期蛋白的保守性
3.4 1985年
blackburn, Greider和Szostak，对端粒的研究取得了突破性进展，并发现了端粒酶。
端粒酶的发现
端粒是位于染色体末端的重复DNA序列，可以防止基因组DNA被降解。这些重复性序列由端粒酶添加在染色体3'末端，然后DNA聚合酶将后随链的核苷酸补平。端粒与衰老有关，因为这些DNA片段，在生物生命周期中会逐渐变短。
端粒与衰老有关
3.5 1992年
Ohsumi 和他的团队，又有了重要发现：调控并称为自噬的细胞能源再利用过程的基因。
细胞自噬的发现
当营养缺乏时，可被消耗的细胞器被自噬体吞噬。自噬体与溶酶体结合，将细胞器蛋白进一步降解成氨基酸，用于合成新的蛋白，自噬在一些重要的细胞机制，如防止入侵的病菌和肿瘤生长。
细胞自噬
4. 酵母应用
4.1 衰老疾病研究（线粒体自噬）
早老性痴呆症；帕金森病的治疗：酵母可以用于研究线粒体自噬，一种通过自噬体清除受损线粒体的过程，该机制关联以上疾病治疗
线粒体自噬
通过碳源饥饿培养基诱导酵母细胞自噬，荧光显微镜下观察线粒体自噬情况
线粒体自噬
4.2 外源蛋白表达
酿酒酵母用来纯化和表达大量蛋白，如CFTR囊性纤维化跨膜传导调节蛋白。携带CFTR质粒的酵母细胞通过大量培养，离心细胞，分离微粒体。微粒体是细胞被匀浆破碎时，内质网膜结构破裂后重新封闭形成的囊泡。从微粒体中分离并纯化CFTR蛋白。使得科学家通过X射线晶体衍化的方法，对该蛋白结构进行分析。
4.3 人体DNA修复蛋白
酵母也可作为模式系统，研究人体DNA修复蛋白，这些蛋白可检测并修复损伤DNA，从而阻止携带有缺陷基因组的细胞，如肿瘤细胞的增殖
DNA修复蛋白
转化了DNA修复蛋白（WRN）的酵母细胞，涂在选择性培养基上，含WRN突变的细胞形态可通过荧光显微镜观察；通过跑蛋白胶和蛋白免疫印迹法，可检测细胞提取液中WRN蛋白。
网友评论