Schizosaccharomyces pombe , también llamada " levadura de fisión ", es una especie de levadura utilizada en la elaboración de cerveza tradicional y como organismo modelo en biología molecular y celular . Es un eucariota unicelular , cuyas células tienen forma de bastón. Las células suelen medir de 3 a 4 micrómetros de diámetro y de 7 a 14 micrómetros de longitud. Se estima que su genoma , que tiene aproximadamente 14,1 millones de pares de bases, contiene 4.970 genes codificadores de proteínas y al menos 450 ARN no codificantes . [2]
Estas células mantienen su forma creciendo exclusivamente a través de las puntas celulares y se dividen por fisión medial para producir dos células hijas del mismo tamaño, lo que las convierte en una poderosa herramienta en la investigación del ciclo celular .
La levadura de fisión fue aislada en 1893 por Paul Lindner de la cerveza de mijo del este de África . El nombre de la especie pombe es la palabra swahili para cerveza. Fue desarrollado por primera vez como modelo experimental en la década de 1950: por Urs Leupold para estudiar la genética, [3] [4] y por Murdoch Mitchison para estudiar el ciclo celular. [5] [6] [7]
Paul Nurse , un investigador de levaduras de fisión, fusionó con éxito las escuelas independientes de genética de levaduras de fisión y de investigación del ciclo celular. Junto con Lee Hartwell y Tim Hunt , Nurse ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2001 por su trabajo sobre la regulación del ciclo celular.
La secuencia del genoma de S. pombe fue publicada en 2002, por un consorcio liderado por el Instituto Sanger , convirtiéndose en el sexto organismo eucariota modelo cuyo genoma ha sido secuenciado completamente . Los investigadores de S. pombe cuentan con el apoyo de PomBase MOD ( base de datos de organismos modelo ). Esto ha desbloqueado completamente el poder de este organismo, con muchos genes ortólogos a genes humanos identificados: el 70% hasta la fecha, [8] [9] incluidos muchos genes implicados en enfermedades humanas. [10] En 2006, se publicó la localización subcelular de casi todas las proteínas en S. pombe utilizando una proteína verde fluorescente como etiqueta molecular. [11]
Schizosaccharomyces pombe también se ha convertido en un organismo importante en el estudio de las respuestas celulares al daño del ADN y el proceso de replicación del ADN .
Se han aislado aproximadamente 160 cepas naturales de S. pombe . Estos se han recopilado de una variedad de lugares, incluidos Europa, América del Norte y del Sur y Asia. La mayoría de estas cepas han sido recolectadas de frutas cultivadas como manzanas y uvas , o de diversas bebidas alcohólicas , como la cachaça brasileña . También se sabe que S. pombe está presente en el té fermentado, la kombucha . [12] Actualmente no está claro si S. pombe es el principal fermentador o un contaminante en tales cervezas. La ecología natural de las levaduras Schizosaccharomyces no está bien estudiada.
Schizosaccharomyces pombe se descubrió por primera vez en 1893, cuando un grupo que trabajaba en el laboratorio de la Asociación de Cervecerías en Alemania observaba los sedimentos encontrados en la cerveza de mijo importada del este de África que le daban un sabor ácido. El término esquizo, que significa "escisión" o "fisión", se había utilizado anteriormente para describir otros esquizosaccharomycetes . La adición de la palabra pombe se debió a su aislamiento de la cerveza del este de África, ya que pombe significa "cerveza" en swahili. Urs Leupold aisló las cepas estándar de S. pombe en 1946 y 1947 a partir de un cultivo que obtuvo de la colección de levaduras de Delft , Países Bajos. Fue depositado allí por A. Osterwalder con el nombre de S. pombe var. liquefaciens , después de que lo aisló en 1924 del vino francés (probablemente rancio) en la Estación Experimental Federal de Vitivinicultura y Horticultura en Wädenswil , Suiza. El cultivo utilizado por Urs Leupold contenía (entre otras) células con los tipos de apareamiento h90 (cepa 968), h- (cepa 972) y h+ (cepa 975). Posteriormente, ha habido dos grandes esfuerzos para aislar S. pombe de frutas, néctar o fermentaciones: uno de Florenzano et al. [13] en los viñedos del oeste de Sicilia, y el otro por Gomes et al. (2002) en cuatro regiones del sureste de Brasil. [14]
La levadura de fisión S. pombe pertenece a la divisio Ascomycota, que representa el grupo de hongos más grande y diverso. Los ascomicetos de vida libre se encuentran comúnmente en los exudados de los árboles, en las raíces de las plantas y en el suelo circundante, en frutos maduros y en descomposición, y en asociación con insectos vectores que los transportan entre sustratos. Muchas de estas asociaciones son simbióticas o saprofitas, aunque numerosos ascomicetos (y sus primos basidiomicetos) representan importantes patógenos vegetales que se dirigen a innumerables especies de plantas, incluidos cultivos comerciales. Entre los géneros de levaduras ascomicetas, la levadura de fisión Schizosaccharomyces es única debido a la deposición de α-(1,3)-glucano o pseudonigerano en la pared celular, además de los β-glucanos más conocidos y la virtual falta de quitina. Las especies de este género también difieren en la composición de manano, que muestra azúcares d-galactosa terminales en las cadenas laterales de sus mananos. S. pombe sufre una fermentación aeróbica en presencia de exceso de azúcar. [15] S. pombe puede degradar el ácido L-málico, uno de los ácidos orgánicos dominantes en el vino, lo que los hace diversos entre otras cepas de Saccharomyces .
Las especies de levadura Schizosaccharomyces pombe y Saccharomyces cerevisiae están ampliamente estudiadas; Estas dos especies divergieron aproximadamente entre 300 y 600 millones de años antes del presente [16] y son herramientas importantes en biología molecular y celular. Algunos de los discriminantes técnicos entre estas dos especies son:
Los productos genéticos de S. pombe (proteínas y ARN) participan en muchos procesos celulares comunes a toda la vida. La levadura de fisión GO slim proporciona una descripción categórica de alto nivel del papel biológico de todos los productos genéticos de S. pombe. [8]
La levadura de fisión es un hongo unicelular con un genoma simple y completamente caracterizado y una rápida tasa de crecimiento. Se ha utilizado durante mucho tiempo en la elaboración de cerveza, la repostería y la genética molecular. S. pombe es una célula en forma de bastón, de aproximadamente 3 μm de diámetro, que crece enteramente por elongación en los extremos. Después de la mitosis, la división se produce mediante la formación de un tabique o placa celular que escinde la célula en su punto medio.
Los eventos centrales de la reproducción celular son la duplicación cromosómica, que tiene lugar en la fase S (sintética), seguida de la segregación cromosómica y la división nuclear (mitosis) y la división celular (citocinesis), que en conjunto se denominan fase M (mitótica). G1 es la brecha entre las fases M y S, y G2 es la brecha entre las fases S y M. En la levadura de fisión, la fase G2 está especialmente extendida y la citocinesis (segregación de células hijas) no se produce hasta que se inicia una nueva fase S (sintética).
La levadura de fisión gobierna la mitosis mediante mecanismos similares a los de los animales multicelulares. Normalmente prolifera en estado haploide. Cuando mueren de hambre, las células de tipos de apareamiento opuestos (P y M) se fusionan para formar un cigoto diploide que entra inmediatamente en meiosis para generar cuatro esporas haploides. Cuando las condiciones mejoran, estas esporas germinan para producir células haploides en proliferación. [19]
Aquí se muestran las características generales de la citocinesis. El sitio de división celular se determina antes de la anafase. Luego se coloca el huso anafase (en verde en la figura) de manera que los cromosomas segregados estén en lados opuestos del plano de escisión predeterminado.
En la levadura de fisión, donde el crecimiento gobierna la progresión a través de G2/M, una mutación wee1 provoca la entrada en la mitosis con un tamaño anormalmente pequeño, lo que da como resultado un G2 más corto. G1 se alarga, lo que sugiere que la progresión a través de Inicio (comienzo del ciclo celular) responde al crecimiento cuando se pierde el control de G2/M. Además, las células en malas condiciones de nutrientes crecen lentamente y, por tanto, tardan más en duplicar su tamaño y dividirse. Los niveles bajos de nutrientes también restablecen el umbral de crecimiento, de modo que la célula avanza a través del ciclo celular a un tamaño más pequeño. Tras la exposición a condiciones estresantes [calor (40 °C) o el agente oxidante peróxido de hidrógeno] las células de S. pombe sufren un envejecimiento medido por el aumento del tiempo de división celular y la mayor probabilidad de muerte celular. [20] Finalmente, las células de levadura de fisión mutantes wee1 son más pequeñas que las células de tipo salvaje, pero tardan el mismo tiempo en atravesar el ciclo celular. Esto es posible porque las células pequeñas de levadura crecen más lentamente, es decir, su masa total agregada por unidad de tiempo es menor que la de las células normales.
Se cree que un gradiente espacial coordina el tamaño celular y la entrada mitótica en la levadura de fisión. [21] [22] [23] La proteína quinasa Pom1 (verde) está localizada en la corteza celular, con la concentración más alta en las puntas de las células. Los reguladores del ciclo celular Cdr2, Cdr1 y Wee1 están presentes en los ganglios corticales en el centro de la célula (puntos azules y rojos). a, en células pequeñas, el gradiente de Pom1 llega a la mayoría de los ganglios corticales (puntos azules). Pom1 inhibe Cdr2, evitando que Cdr2 y Cdr1 inhiban Wee1 y permitiendo que Wee1 fosforile Cdk1, inactivando así la actividad de la quinasa dependiente de ciclina (CDK) y previniendo la entrada en la mitosis. b, En células largas, el gradiente de Pom1 no llega a los ganglios corticales (puntos rojos) y, por tanto, Cdr2 y Cdr1 permanecen activos en los ganglios. Cdr2 y Cdr1 inhiben Wee1, previniendo la fosforilación de Cdk1 y, por tanto, provocando la activación de CDK y la entrada mitótica. (Este diagrama simplificado omite varios otros reguladores de la actividad de CDK).
La levadura de fisión cambia el tipo de apareamiento mediante un evento de recombinación acoplado a replicación, que tiene lugar durante la fase S del ciclo celular. La levadura de fisión utiliza la asimetría intrínseca del proceso de replicación del ADN para cambiar el tipo de apareamiento; fue el primer sistema en el que se demostró que la dirección de replicación era necesaria para el cambio del tipo de célula. Los estudios del sistema de conmutación del tipo de apareamiento conducen al descubrimiento y caracterización de un sitio de terminación de replicación específico RTS1, un sitio de pausa de replicación específico de sitio MPS1 y un nuevo tipo de huella cromosómica, que marca una de las cromátidas hermanas en el momento del apareamiento. -tipo locus mat1. Además, el trabajo en la región donante silenciada ha dado lugar a grandes avances en la comprensión de la formación y el mantenimiento de la heterocromatina. [24]
Schizosaccharomyces pombe es un microorganismo sexual facultativo que puede aparearse cuando los nutrientes son limitantes. [25] La exposición de S. pombe al peróxido de hidrógeno, un agente que causa estrés oxidativo que conduce a daño oxidativo del ADN , induce fuertemente el apareamiento y la formación de esporas meióticas. [26] Este hallazgo sugiere que la meiosis, y particularmente la recombinación meiótica, puede ser una adaptación para reparar el daño del ADN. [26] Apoyando esta opinión está el hallazgo de que las lesiones de una sola base del tipo dU:dG en el ADN de S. pombe estimulan la recombinación meiótica. [27] Esta recombinación requiere uracilo-ADN glicosilasa , una enzima que elimina el uracilo de la columna vertebral del ADN e inicia la reparación por escisión de bases. Sobre la base de este hallazgo, se propuso que la reparación por escisión de una base de uracilo, un sitio abásico o una muesca monocatenaria es suficiente para iniciar la recombinación en S. pombe. [27] Otros experimentos con S. pombe indicaron que el procesamiento defectuoso de los intermediarios de replicación del ADN, es decir, los fragmentos de Okazaki , provoca daños en el ADN, como mellas o espacios en una sola hebra, y que estos estimulan la recombinación meiótica. [28]
La levadura de fisión se ha convertido en un sistema modelo notable para estudiar los principios básicos de una célula que puede usarse para comprender organismos más complejos como los mamíferos y, en particular, los humanos. [29] [30] Este eucariota unicelular no es patógeno y se cultiva y manipula fácilmente en el laboratorio. [31] [32] La levadura de fisión contiene uno de los números más pequeños de genes de una secuencia genómica conocida para un eucariota, y tiene sólo tres cromosomas en su genoma. [33] Muchos de los genes responsables de la división celular y la organización celular en la fisión de las células de levadura también se encuentran en el genoma humano. [31] [32] [34] La regulación y división del ciclo celular son cruciales para el crecimiento y desarrollo de cualquier célula. Los genes conservados de la levadura de fisión han sido profundamente estudiados y son la razón de muchos desarrollos biomédicos recientes. [35] [36] La levadura de fisión también es un sistema modelo práctico para observar la división celular porque las levaduras de fisión son eucariotas unicelulares de forma cilíndrica que se dividen y reproducen mediante fisión medial. [31] Esto se puede ver fácilmente mediante microscopía. La levadura de fisión también tiene un tiempo de generación extremadamente corto, de 2 a 4 horas, lo que también la convierte en un sistema modelo fácil de observar y cultivar en el laboratorio [32] La simplicidad de la levadura de fisión en su estructura genómica pero sus similitudes con el genoma de los mamíferos, su facilidad de manipulación y su capacidad para utilizarse en el análisis de fármacos es el motivo por el que la levadura de fisión está haciendo muchas contribuciones a la investigación en biomedicina y biología celular, y es un sistema modelo para el análisis genético. [32] [25] [30] [37] [38]
Schizosaccharomyces pombe se utiliza a menudo para estudiar la división y el crecimiento celular debido a las regiones genómicas conservadas que también se observan en humanos, entre ellas: proteínas de heterocromatina, grandes orígenes de replicación, centrómeros grandes, puntos de control celulares conservados, función de los telómeros, empalme de genes y muchos otros procesos celulares. [33] [39] [40] El genoma de S. pombe fue secuenciado completamente en 2002, siendo el sexto genoma eucariota secuenciado como parte del Proyecto Genoma. Se estima que se descubrieron 4.979 genes dentro de tres cromosomas que contienen aproximadamente 14 Mb de ADN. Este ADN está contenido en 3 cromosomas diferentes en el núcleo con espacios en las regiones centromérica (40 kb) y telomérica (260 kb). [33] Después de la secuenciación inicial del genoma de la levadura de fisión, se han secuenciado otras regiones de los genes no secuenciadas previamente. El análisis estructural y funcional de estas regiones genéticas se puede encontrar en bases de datos de levaduras de fisión a gran escala, como PomBase .
Se encontró que el cuarenta y tres por ciento de los genes del Proyecto Genoma contenían intrones en 4.739 genes. La levadura de fisión no tiene tantos genes duplicados en comparación con la levadura en ciernes, ya que solo contiene un 5%, lo que la convierte en un excelente genoma modelo para observar y brinda a los investigadores la capacidad de crear enfoques de investigación más funcionales. El hecho de que S. pombe tenga una gran cantidad de intrones brinda oportunidades para un aumento de la variedad de tipos de proteínas producidas a partir de empalmes alternativos y genes que codifican genes comparables en humanos. [33] Se ha secuenciado el 81% de los tres centrómeros de la levadura de fisión. Se encontró que las longitudes de los tres centrómeros eran 34, 65 y 110 kb. Es entre 300 y 100 veces más largo que los centrómeros de la levadura en ciernes. También se observa un nivel extremadamente alto de conservación (97%) en la región de 1.780 pb en las regiones DGS del centrómero. Este alargamiento de los centrómeros y sus secuencias conservadoras convierte a la levadura de fisión en un sistema modelo práctico para observar la división celular y en humanos debido a su semejanza. [33] [41] [42]
PomBase [8] [43] informa que más del 69% de los genes que codifican proteínas tienen ortólogos humanos y más de 500 de ellos están asociados con enfermedades humanas. Esto convierte a S. pombe en un excelente sistema para estudiar genes humanos y vías de enfermedades, especialmente el ciclo celular y los sistemas de puntos de control del ADN. [42] [44] [45] [46]
El genoma de S. pombe contiene controladores meióticos y supresores de impulsos llamados genes wtf. [47]
Se llevó a cabo un estudio de biodiversidad y evolución de la levadura de fisión en 161 cepas de Schizosaccharomyces pombe recolectadas en 20 países. [48] El modelado de la tasa evolutiva mostró que todas las cepas derivan de un ancestro común que ha vivido desde hace ~2300 años. El estudio también identificó un conjunto de 57 cepas de levadura de fisión que diferían cada una en ≥1900 SNP, [48] y todas detectaron que 57 cepas de levadura de fisión eran prototróficas (capaces de crecer en el mismo medio mínimo que la cepa de referencia). [48] Varios estudios sobre el genoma de S.pombe apoyan la idea de que la diversidad genética de las cepas de levadura de fisión es ligeramente menor que la de la levadura en ciernes. [48] De hecho, sólo se producen variaciones limitadas de S.pombe en proliferación en diferentes entornos. Además, la cantidad de variación fenotípica que se segrega en la levadura de fisión es menor que la observada en S. cerevisiae. [49] Dado que la mayoría de las cepas de levadura de fisión se aislaron de bebidas elaboradas, no existe un contexto ecológico o histórico para esta dispersión.
Muchos investigadores han estudiado cada vez más la replicación del ADN en levaduras. Una mayor comprensión de la replicación del ADN, la expresión genética y los mecanismos de conservación en la levadura puede proporcionar a los investigadores información sobre cómo funcionan estos sistemas en las células de mamíferos en general y en las células humanas en particular. [40] [50] [51] [52] Otras etapas, como el crecimiento celular y el envejecimiento, también se observan en la levadura para comprender estos mecanismos en sistemas más complejos. [34] [53] [54] [55]
Las células de fase estacionaria de S. pombe sufren un envejecimiento cronológico debido a la producción de especies reactivas de oxígeno que causan daños en el ADN . La mayoría de estos daños normalmente pueden repararse mediante reparación por escisión de bases de ADN y reparación por escisión de nucleótidos . [56] Los defectos en estos procesos de reparación conducen a una supervivencia reducida.
La citocinesis es uno de los componentes de la división celular que a menudo se observa en las levaduras de fisión. Se observan componentes bien conservados de la citocinesis en la levadura de fisión y nos permiten observar varios escenarios genómicos y señalar mutaciones. [45] [57] [58] La citocinesis es un paso permanente y muy crucial para el bienestar de la célula. [59] La formación de anillos contráctiles en particular es ampliamente estudiada por investigadores que utilizan S. pombe como sistema modelo. El anillo contráctil está altamente conservado tanto en la levadura de fisión como en la citocinesis humana. [45] Las mutaciones en la citocinesis pueden provocar muchas disfunciones de la célula, incluida la muerte celular y el desarrollo de células cancerosas. [45] Este es un proceso complejo en la división celular humana, pero en S. pombe experimentos más simples pueden producir resultados que luego pueden aplicarse para la investigación en sistemas modelo de orden superior, como los humanos.
Una de las precauciones de seguridad que toma la célula para garantizar que se produzca una división celular precisa es el punto de control del ciclo celular. [60] [61] Estos puntos de control garantizan la eliminación de cualquier mutágeno. [62] Esto se hace a menudo mediante señales de retransmisión que estimulan la ubiquitinación de los objetivos y retrasan la citocinesis. [33] Sin puntos de control mitóticos como estos, se crean y replican mutágenos, lo que resulta en multitud de problemas celulares, incluida la muerte celular o la tumorigénesis que se observa en las células cancerosas. Paul Nurse, Leland Hartwell y Tim Hunt recibieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 2001. Descubrieron puntos de control conservados clave que son cruciales para que una célula se divida correctamente. Estos hallazgos se han relacionado con el cáncer y las células enfermas y son un hallazgo notable para la biomedicina. [63]
Los investigadores que utilizan levaduras de fisión como sistema modelo también analizan la dinámica y las respuestas de los orgánulos y las posibles correlaciones entre las células de levadura y las células de mamíferos. [64] [65] Las enfermedades de las mitocondrias y varios sistemas de orgánulos, como el aparato de Golgi y el retículo endoplasmático, se pueden comprender mejor observando la dinámica cromosómica de la levadura de fisión y los niveles y la regulación de la expresión de proteínas. [46] [51] [66] [ 67] [68] [69]
Las proteínas RecA y similares a RecA son necesarias para la reparación recombinante de roturas de doble cadena del ADN. [70] Se han descrito cinco proteínas similares a RecA en S. pombe que están vinculadas a la recombinación meiótica , y los cinco homólogos de RecA parecen ser necesarios para niveles normales de recombinación meiótica. [70]
Sin embargo, existen limitaciones en el uso de levadura de fisión como sistema modelo: su resistencia a múltiples fármacos. "La respuesta MDR implica la sobreexpresión de dos tipos de bombas de eflujo de fármacos, la familia del casete de unión a ATP (ABC)... y la superfamilia de facilitadores principales". [35] Paul Nurse y algunos de sus colegas han creado recientemente cepas de S. pombe sensibles a inhibidores químicos y sondas comunes para ver si es posible utilizar levadura de fisión como sistema modelo de investigación de fármacos químicos. [35]
Por ejemplo, la doxorrubicina, un antibiótico quimioterapéutico muy común, tiene muchos efectos secundarios adversos. Los investigadores están buscando formas de comprender mejor cómo funciona la doxorrubicina observando los genes relacionados con la resistencia utilizando levadura de fisión como sistema modelo. Se observaron vínculos entre los efectos secundarios adversos de la doxorrubicina y el metabolismo cromosómico y el transporte de membrana. Actualmente se están utilizando en biotecnología modelos metabólicos para la selección de fármacos y se esperan nuevos avances en el futuro utilizando el sistema modelo de levadura de fisión. [36]
La levadura de fisión es de fácil acceso, se cultiva y manipula fácilmente para producir mutantes y puede mantenerse en un estado haploide o diploide. S. pombe es normalmente una célula haploide pero, cuando se somete a condiciones estresantes, generalmente deficiencia de nitrógeno, dos células se conjugarán para formar un diploide que luego formará cuatro esporas dentro de una tétrada ascus. [32] Este proceso es fácilmente visible y observable bajo cualquier microscopio y nos permite observar la meiosis en un sistema modelo más simple para ver cómo opera este fenómeno.
Por lo tanto, prácticamente cualquier experimento o técnica genética se puede aplicar a este sistema modelo, como: disección en tétrada, análisis de mutágenos, transformaciones y técnicas de microscopía como FRAP y FRET. También se están utilizando nuevos modelos, como Tug-Of-War (gTOW), para analizar la robustez de la levadura y observar la expresión genética. Crear genes knock-in y knock-out es bastante fácil y, con la secuenciación del genoma de la levadura de fisión, esta tarea es muy accesible y bien conocida. [71] [72]
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