Schizosaccharomyces pombe , también llamada " levadura de fisión ", es una especie de levadura utilizada en la elaboración tradicional de cerveza y como organismo modelo en biología molecular y. 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 de igual tamaño, lo que las convierte en una herramienta poderosa en la investigación del ciclo celular .
La levadura de fisión fue aislada en 1893 por Paul Lindner a partir de cerveza de mijo de África Oriental . El nombre de la especie , pombe, es la palabra suajili para cerveza. Fue desarrollada 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 , investigador de la levadura de fisión, fusionó con éxito las escuelas independientes de genética de la levadura de fisión y la 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 completamente secuenciado . Los investigadores de S. pombe cuentan con el apoyo de PomBase MOD ( base de datos de organismos modelo ). Esto ha desbloqueado por completo el poder de este organismo, con muchos genes ortólogos a genes humanos identificados - 70% hasta la fecha, [8] [9] incluyendo muchos genes involucrados en enfermedades humanas. [10] En 2006, se publicó la localización subcelular de casi todas las proteínas en S. pombe usando proteína fluorescente verde 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 . Estas se han recolectado de una variedad de lugares que incluyen Europa, América del Norte y del Sur y Asia. La mayoría de estas cepas se han recolectado de frutas cultivadas como manzanas y uvas , o de varias bebidas alcohólicas , como la cachaça brasileña . También se sabe que S. pombe está presente en el té fermentado, kombucha . [12] No está claro en la actualidad si S. pombe es el fermentador principal o un contaminante en tales brebajes. La ecología natural de las levaduras Schizosaccharomyces no está bien estudiada.
Schizosaccharomyces pombe fue descubierto por primera vez en 1893 cuando un grupo que trabajaba en un laboratorio de la Asociación de Cerveceros en Alemania estaba observando sedimentos encontrados en cerveza de mijo importada de África Oriental que le daban un sabor ácido. El término schizo, que significa "división" o "fisión", se había utilizado anteriormente para describir otros Schizosaccharomycetes . La adición de la palabra pombe se debió a su aislamiento de la cerveza de África Oriental, ya que pombe significa "cerveza" en suajili. Las cepas estándar de S. pombe fueron aisladas por Urs Leupold en 1946 y 1947 a partir de un cultivo que obtuvo de la colección de levaduras en Delft , Países Bajos. Fue depositada allí por A. Osterwalder bajo el nombre de S. pombe var. liquefaciens , después de que la aislara en 1924 del vino francés (probablemente rancio) en la Estación Experimental Federal de Vini- y Horticultura en Wädenswil , Suiza. El cultivo utilizado por Urs Leupold contenía (entre otros) células con los tipos de apareamiento h90 (cepa 968), h- (cepa 972) y h+ (cepa 975). Posteriormente, se han realizado dos grandes esfuerzos para aislar S. pombe de la fruta, el néctar o las fermentaciones: uno por Florenzano et al. [13] en los viñedos del oeste de Sicilia, y el otro por Gomes et al. (2002) en cuatro regiones del sudeste de Brasil. [14]
La levadura de fisión S. pombe pertenece a la división Ascomycota, que representa el grupo más grande y diverso de hongos. Los ascomicetos de vida libre se encuentran comúnmente en exudados de árboles, en raíces de plantas y en el suelo circundante, en frutas maduras y podridas, 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 atacan a una gran cantidad de especies de plantas, incluidos los 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 mananos, que muestra azúcares terminales de d-galactosa en las cadenas laterales de sus mananos. S. pombe experimenta 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 han sido 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 génicos de S. pombe (proteínas y ARN) participan en muchos procesos celulares comunes a todos los seres vivos. La levadura de fisión GO slim proporciona una descripción general categórica de alto nivel del papel biológico de todos los productos génicos de S. pombe. [8]
La levadura de fisión es un hongo unicelular con un genoma simple y completamente caracterizado y una tasa de crecimiento rápida. Se ha utilizado durante mucho tiempo en la elaboración de cerveza, la panadería y la genética molecular. S. pombe es una célula con forma de bastón, de aproximadamente 3 μm de diámetro, que crece completamente por elongación en los extremos. Después de la mitosis, la división se produce por la formación de un tabique, o placa celular, que divide la célula en su punto medio.
Los eventos centrales de la reproducción celular son la duplicación de cromosomas, que tiene lugar en la fase S (sintética), seguida de la segregación de cromosomas y la división nuclear (mitosis) y la división celular (citocinesis), que se denominan colectivamente fase M (mitótica). G1 es el intervalo entre las fases M y S, y G2 es el intervalo entre las fases S y M. En la levadura de fisión, la fase G2 es particularmente prolongada, y la citocinesis (segregación de células hijas) no ocurre hasta que se inicia una nueva fase S (sintética).
La levadura de fisión regula la mitosis mediante mecanismos similares a los de los animales multicelulares. Normalmente prolifera en estado haploide. Cuando se priva de alimento, 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 proliferantes. [19]
Aquí se muestran las características generales de la citocinesis. El lugar de división celular se determina antes de la anafase. A continuación, el huso anafásico (en verde en la figura) se coloca de forma que los cromosomas segregados se encuentren en lados opuestos del plano de división predeterminado.
En la levadura de fisión, donde el crecimiento regula 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 Start (inicio 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 lo tanto, tardan más en duplicar su tamaño y dividirse. Los niveles bajos de nutrientes también restablecen el umbral de crecimiento para que la célula progrese a través del ciclo celular con 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 experimentan envejecimiento medido por un mayor tiempo de división celular y una 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 completar el ciclo celular. Esto es posible porque las células de levadura pequeñas 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) se localiza 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 nódulos corticales en el medio de la célula (puntos azules y rojos). a, En células pequeñas, el gradiente Pom1 alcanza la mayoría de los nódulos corticales (puntos azules). Pom1 inhibe a Cdr2, evitando que Cdr2 y Cdr1 inhiban a Wee1, y permitiendo que Wee1 fosforile Cdk1, inactivando así la actividad de la quinasa dependiente de ciclina (CDK) y evitando la entrada en mitosis. b, En células largas, el gradiente Pom1 no alcanza los nódulos corticales (puntos rojos), y por lo tanto Cdr2 y Cdr1 permanecen activos en los nódulos. Cdr2 y Cdr1 inhiben Wee1, lo que impide la fosforilación de Cdk1 y, por lo tanto, conduce a 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 la 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 la replicación era necesaria para el cambio del tipo celular. Los estudios del sistema de cambio del tipo de apareamiento condujeron al descubrimiento y caracterización de un sitio específico de terminación de replicación RTS1, un sitio específico de pausa de replicación MPS1 y un nuevo tipo de impronta cromosómica, que marca una de las cromátidas hermanas en el locus de tipo de apareamiento mat1. Además, el trabajo sobre la región donante silenciada ha llevado 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 limitados. [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 visión 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 uracil-ADN glicosilasa , una enzima que elimina el uracilo de la cadena principal del ADN e inicia la reparación por escisión de bases. Sobre la base de este hallazgo, se propuso que la reparación por escisión de bases de una base de uracilo, un sitio abásico o una muesca de cadena sencilla 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 de ADN, es decir, los fragmentos de Okazaki , causa daños en el ADN, como cortes o espacios en una sola cadena, 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 se puede utilizar 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 solo tres cromosomas en su genoma. [33] Muchos de los genes responsables de la división celular y la organización celular en la célula de levadura de fisión también se encuentran en el genoma humano. [31] [32] [34] La regulación y la división del ciclo celular son cruciales para el crecimiento y el desarrollo de cualquier célula. Los genes conservados de la levadura de fisión se han estudiado en profundidad 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 se reproducen por fisión medial. [31] Esto se puede ver fácilmente usando 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 estructura genómica de la levadura de fisión pero las similitudes con el genoma de los mamíferos, la facilidad de manipulación y la capacidad de ser utilizada para el análisis de fármacos es la razón por la que la levadura de fisión está haciendo muchas contribuciones a la investigación en biomedicina y biología celular, y 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 ven en humanos, incluyendo: 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 completamente secuenciado en 2002, el sexto genoma eucariota en ser secuenciado como parte del Proyecto Genoma. Se descubrieron aproximadamente 4.979 genes dentro de tres cromosomas que contienen alrededor de 14 Mb de ADN. Este ADN está contenido dentro de 3 cromosomas diferentes en el núcleo con huecos en las regiones centroméricas (40 kb) y teloméricas (260 kb). [33] Después de la secuenciación inicial del genoma de la levadura de fisión, se han secuenciado otras regiones previas no secuenciadas de los genes. El análisis estructural y funcional de estas regiones genéticas se puede encontrar en bases de datos de levadura 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 el 5%, lo que hace que la levadura de fisión sea un gran 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 en la gama de tipos de proteínas producidas a partir del empalme alternativo y genes que codifican genes comparables en humanos. [33] Se ha secuenciado el 81% de los tres centrómeros en la levadura de fisión. Se encontró que las longitudes de los tres centrómeros eran de 34, 65 y 110 kb. Esto 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. Esta elongación de los centrómeros y sus secuencias conservativas hacen de la levadura de fisión 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 codificadores de proteínas tienen ortólogos humanos y más de 500 de ellos están asociados con enfermedades humanas. Esto hace que S. pombe sea un gran sistema para estudiar los genes humanos y las vías de las enfermedades, especialmente el ciclo celular y los sistemas de puntos de control del ADN. [42] [44] [45] [46]
El genoma de S. pombe contiene impulsores meióticos y supresores de impulsos llamados genes wtf. [47]
Se realizó un estudio de la biodiversidad y la 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 derivaron 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 se diferenciaban cada una en ≥1900 SNP, [48] y todas las 57 cepas de levadura de fisión detectadas eran prototróficas (capaces de crecer en el mismo medio mínimo que la cepa de referencia). [48] Varios estudios sobre el genoma de S. pombe respaldan 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, solo ocurren 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 fermentadas, no existe un contexto ecológico o histórico para esta dispersión.
La replicación del ADN en la levadura ha sido objeto de un estudio cada vez mayor por parte de muchos investigadores. Una mayor comprensión de la replicación del ADN, la expresión génica y los mecanismos conservados en la levadura puede proporcionar a los investigadores información sobre cómo funcionan estos sistemas en las células de los mamíferos en general y en las células humanas en particular. [40] [50] [51] [52] También se observan otras etapas, como el crecimiento celular y el envejecimiento, en la levadura para comprender estos mecanismos en sistemas más complejos. [34] [53] [54] [55]
Las células en 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 pueden repararse normalmente mediante la reparación por escisión de bases de ADN y la 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 se observa a menudo en la levadura de fisión. Se observan componentes bien conservados de la citocinesis en la levadura de fisión y nos permiten observar varios escenarios genómicos y detectar mutaciones. [45] [57] [58] La citocinesis es un paso permanente y muy crucial para el bienestar de la célula. [59] La formación del anillo contráctil en particular es muy 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 muchos fallos en el funcionamiento 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 se pueden aplicar 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 da lugar a multitud de problemas celulares, incluida la muerte celular o la tumorigénesis observada 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 la levadura 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 endoplásmico se pueden comprender mejor observando la dinámica cromosómica de la levadura de fisión y los niveles de expresión y regulación de proteínas. [46] [51] [66] [67] [68] [69]
Las proteínas RecA y similares a RecA son necesarias para la reparación recombinatoria de las roturas de doble cadena de 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, el uso de la levadura de fisión como sistema modelo tiene limitaciones: su resistencia a múltiples fármacos. "La respuesta a la MDR implica la sobreexpresión de dos tipos de bombas de eflujo de fármacos, la familia de casetes 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 la levadura de fisión como un 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 entender mejor cómo funciona la doxorrubicina observando los genes vinculados a la resistencia utilizando la 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. En la actualidad se están utilizando modelos metabólicos para la selección de fármacos en biotecnología y se esperan más avances en el futuro utilizando el sistema modelo de la levadura de fisión. [36]
La levadura de fisión es de fácil acceso, se cultiva y se manipula fácilmente para generar mutantes y se puede mantener en estado haploide o diploide. S. pombe es normalmente una célula haploide pero, cuando se la somete a condiciones estresantes, generalmente deficiencia de nitrógeno, dos células se conjugarán para formar un diploide que luego formará cuatro esporas dentro de un asco de tétrada. [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 funciona este fenómeno.
Por lo tanto, prácticamente cualquier experimento o técnica genética puede aplicarse a este sistema modelo, como por ejemplo: disección de tétradas, 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 génica. Generar 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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