Organizmy modelowe - drożdże. Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

Transkrypt

1 Organizmy modelowe - drożdże Saccharomyces cerevisiae i nie tylko

2 Co można badać na drożdżach? Praktycznie wszystkie podstawowe aspekty biologii molekularnej, biologii komórki, genetyki

3 Transdukcja sygnału

4 Czego nie można badać na drożdżach Różnicowanie i rozwój Neurobiologia Regulacja przez małe niekodujące RNA (sirna, mirna) Alternatywny splicing

5 Drożdże i cykl komórkowy Nobel dla drożdży

6 Nobel 2001 Drożdże i cykl komórkowy

7 Cykl komórkowy

8 Mutanty cdc S. cerevisiae Cykl komórkowy podobny do wyższych Eukaryota Fazy G1, S, G2, M i wrzeciono podziałowe Lee Hartwell zastosowanie genetyki drożdży do badania cyklu komórkowego ( ) Mutanty temperaturowrażliwe (ts), analizowane za pomocą mikroskopii (zdjęcia poklatkowe) populacja zatrzymuje się w tej fazie, której dotyka mutacja stwierdzenie, której fazy cyklu dotyczy defekt w mutancie

9 Mutanty cdc S. cerevisiae

10 Mutanty wee i cdc u S. pombe Podziały komórki skoordynowane z wzrostem komórek Mutant wee komórki zaczynają się dzielić, kiedy są jeszcze małe zaburzona kontrola startu cyklu

11 Regulacja cyklu wee1 inhibitor podziałów utrata funkcji - małe komórki cdc25, cdc2 aktywatory utrata funkcji duże komórki

12 Regulacja cyklu komórkowego

13 Od drożdży do człowieka mutację cdc2 S. pombe można odwrócić wprowadzając na plazmidzie ludzki gen CDK1 (Cyclin Dependent Kinase)

14 Drożdże i transkrypcja Kolejny Nobel dla drożdży

15 Drożdże i transkrypcja

16 Drożdże i transkrypcja

17 Drożdże i transkrypcja

18 Drożdże i transkrypcja Łatwość hodowli przydatne w projektach oczyszczania i krystalizacji białek

19 Drożdże i mitochondria

20 Profil metaboliczny S. cerevisiae Fakultatywne aeroby Efekt Pasteura tlen hamuje fermentację, ale Efekt Crabtree w obecności glukozy (C6) fermentacja anaerobowa nawet w obecności tlenu Glukoza hamuje oddychanie Etanol jest następnie wykorzystywany (jeżeli nadal jest tlen) Strategia akumulacja i konsumpcja

21 S. cerevisiae i mitochondria co szczególnego? Przeżywa bez funkcji oddechowej (fakultatywny tlenowiec, fermentacja) Mutanty z defektywnym oddychanie, petite (lata 1960.) Przeżywa bez genomu mitochondrialnego ( petite positive ) glukoza (fermentacja) glicerol (oddychanie)

22 Fenotyp petite u S. cerevisiae Zmiany w mtdna ρ 0 całkowita utrata mtdna ρ - częściowa utrata mtdna, znaczne delecje i reamplifikacja mit - - mutacje punktowe, prawidłowa struktura genomu Zmiany w ndna mutanty pet

23 Oddziaływania jądrowo mitochondrialne Proteom mitochondrium ~ białek 8-9 kodowane w mtdna jądro mitochondrium Ponad 150 genów jądrowych Ucieczka genów niezbędnych do utrzymania mitochondrialnego systemu genetycznego Ewolucja nowych funkcji Utrata genów

24 Kompleks III Kompleks IV syntaza ATP Błona wewnętrzna III IV V Matrix Cox1 Cox2 Cox3 Atp6 Atp8 Atp9 polimeraza RNA Cob Rpo41 Mtf1 24 trna Translation 21S rrna mtdna Cob, Cox1, Cox2, Cox3, Atp6, Atp8, Atp9, Var1 LSU Transkrypcja Translacja 15S rrna SSU Var1 9S RNA + Rpm2 RNaza P Rybosom Bartosz Zapisek, 2011.

25 Nie tylko S. cerevisiae S. cerevisiae był od dziesiątków lat standardowym modelem genetyki mitochondrialnej metabolizm fakultatywnie aerobowy przeżywa bez mtdna (petite positive) Pod wieloma względami jest nietypowy przeżywa bez mtdna (petite positive) nietypowa organizacja, ekspresja i replikacja mtdna brak genów kompleksu I (dehydrogenaza NADH) w mtdna genom po epizodzie duplikacji całego genomu (WGD) i utracie redundantnych paralogów

26 Drożdże jako model dla genetyki człowieka

27 Genomy S. cerevisiae H. sapiens ~1,2 x 10 7 bp ~3 x 10 9 bp ~6500 genów ~ genów ~1800 genów wykazuje homologie z genami H. sapiens (30%) ~ 4000 genów wykazuje homologie z genami S. cerevisiae (13%) Wiele podstawowych funkcji komórki jest zachowanych. Niekiedy możliwa wymienność białek drożdżowych i ludzkich (np. Ras, Oxa1)

28 Baza danych

29 Przykładowe drożdżowe modele chorób Progerie Wernera i Blooma Choroby związane z defektami naprawy DNA (HNPCC, ataksjatelangiektazja) Ataksja Friedreicha Zaburzenia komunikacji jądrowo - mitochondrialnej (PEO) Choroby wywołane mutacjami w mtdna (NARP) Poszukiwanie leków za pomocą drożdży

30 C1orf31, COA6 C1orf31 - zachowywany w ewolucji gen, funkcja u człowieka nieznana Mutacje u chorych na choroby serca (kardiomiopatia przerostowa) związane z defektami mitochondrialnymi Homolog drożdżowy - COA6

31 COA6 Zaangażowany w składanie kompleksu IV (oksydaza cytochromowa) Ghosh i wsp. Hum. Mol. Genet. (2014) doi: /hmg/ddu069

32 Fenotyp odwracany przez dodanie Cu 2+ W sekwencji białka motywy, które mogą wiązać jony miedzi Ghosh i wsp. Hum. Mol. Genet. (2014) doi: /hmg/ddu069

33 Model mutacji znalezionych u pacjenta Mutacje u chorych w konserwowanych pozycjach Fenotyp zgodny z defektem oddychania komórkowego Ghosh i wsp. Hum. Mol. Genet. (2014) doi: /hmg/ddu069

34 Model w układzie wielokomórkowym Wyciszenie homologicznego genu w zarodkach ryby Danio (TB - wyciszenie, MMC - kontrola) nie wymaga funkcjonalnego serca przez pierwsze 4-5 dni rozwoju u ssaków byłby to efekt letalny Fenotyp - defekt rozwoju serca Ghosh i wsp. Hum. Mol. Genet. (2014) doi: /hmg/ddu069

35 Zaburzenia komunikacji jądrowomitochondrialnej Mutacje w genach kodujących białka odpowiedzialne za utrzymanie mtdna ANT1 (transporter ADP/ATP) POLG (polimeraza DNA) Choroby dziedziczone autosomalnie, objawiają się delecjami w mtdna lub deplecją mtdna

36 PEO PEO -postępująca zewnętrzna oftalmoplegia (porażenie mięśni gałki ocznej) Postać dominująca (adpeo) lub recesywna (arpeo) Objawy opadanie powiek (ptosis), niezdolność do poruszania gałkami oczu, ogólne osłabienie mięśni, zaburzenia neurologiczne,

37 Inne choroby związane z mutacjami POLG Zespół Alpersa (ciężka postępująca choroba neurodegeneracyjna) SANDO (sensory ataxic neuropathy, dysarthria, and ophthalmoparesis)

38 Mutacje i modele drożdżowe POLG (mitochondrialna polimeraza DNA) drożdżowy homolog MIP1 ANT1 (mitochondrialny transporter ATP/ADP drożdżowy homolog AAC2

39

40 Homologia POLG i MIP1 Mutacje w MIP1 powodują niestabilność genomu mitochondrialnego spontaniczne delecje mutacje punktowe całkowita utrata mitochondrialnego DNA

41 Homologia POLG i MIP1 Mutacje w MIP1 powodują niestabilność genomu mitochondrialnego spontaniczne delecje mutacje punktowe całkowita utrata mitochondrialnego DNA

42 Choroby wywołane mutacjami w mtdna Np. NARP Neurogenic Ataxia Retinitis Pigmentosa Mutacja w genie ATP6 W komórkach 70-90% zmutowanego DNA Obniżona aktywność syntezy ATP

43 Drożdżowe modele chorób mitochondrialnych S. cerevisiae jedyny organizm modelowy, u którego można wprowadzać DNA do mitochondriów ukierunkowana mutageneza mtdna Rak, M. et al. J. Biol. Chem. 2007;282:

44 Poszukiwanie nowych leków

45 Identyfikacja substancji aktywnych Drożdże na szalce (murawa) Testowane związki nakraplane na krążki filtrów Drugs are deposited on filters kontrola negatywna Związki aktywne

46 Długowieczność i starzenie

47 Długowieczność drożdży Zastosowanie drożdży S. cerevisiae jako modelu zjawisk związanych ze starzeniem proponowano od lat 60. (Mortimer & Johnson) Dwa mechanizmy starzenie replikatywne limit podziałów komórki-matki (~30) starzenie chronologiczne przeżywalność w fazie spoczynkowej hodowli (wyczerpane źródła energii)

48 Mechanizmy kontrolujące długowieczność mogą być konserwowane w ewolucji

49 Drożdże i biologia systemów Drożdże w XXI wieku

50 Projekty na skalę genomową Delecje (analiza fenotypowa) Nadekspresja białek (MORF) Zmiany ekspresji genów (mikromacierze, fuzje reporterowe) Lokalizacja białek w komórce (fuzje z GFP) Interakcje białek (system dwuhybrydowy) Interakcje genetyczne (np. syntetyczne letalne) Mapowanie QTL

51 Problem analiz wysokoprzepustowych Geny pet (niezbędne do oddychania) Merz & Westermann, 2009

52 Problem analiz wysokoprzepustowych Powtarzalność wyników w różnych badaniach jest niewielka Znaczny wpływ tła genetycznego i warunków doświadczalnych

53 Analizy wysokoprzepustowe roboty laboratoryjne Singer Instruments, UK

54 Wykorzystanie kolekcji delecyjnych CP - Common Primer - wspólny starter UPTAG, DNTAG - kody kreskowe, unikatowe sekwencje Steinmetz & Davis, 2004, Nat. Rev. Genet. 5:

55 Steinmetz & Davis, 2004, Nat. Rev. Genet. 5:

56 Fenotyp a analiza ekspresji Dwa najczęstsze podejścia genomiki funkcjonalnej: analiza ekspresji (transkryptomika) - zmiany poziomu mrna w różnych warunkach analiza fenotypowa - defekt wzrostowy (fitness) w określonych warunkach Czy wyniki (zidentyfikowane geny) się pokrywają?

57 Fenotyp a ekspresja Wzrost na galaktozie Giaever et al. Nature 418, (2002)

58 Fenotyp a ekspresja Tolerancja wysokiego stężenia soli Giaever et al. Nature 418, (2002)

59 Fenotyp a ekspresja Nakładanie się znaczącej zmiany ekspresji i defektu wzrostu <7% dla wzrostu na galaktozie i 1M NaCl ~7% dla wzrostu na niefermentowalnych źródłach węgla ~16% dla sporulacji

60 Poszukiwanie interakcji genetycznych Oddziaływania łagodzące (np. supresja) selekcja bezpośrednia Oddziaływania syntetyczne syntetyczna letalność: pojedyncze mutacje gen1 i gen2 nie są letalne, ale podwójny mutant gen1, gen2 nie przeżywa syntetyczne wzmocnienie pojedyncze mutacje gen1 i gen2 słaby fenotyp, podwójny mutant gen1, gen2 silny fenotyp (np. spowolnienie wzrostu)

61 Ujęcie ilościowe Dixon et al. 2009, Annu Rev Genet 43:601-25

62 SGA Synthetic Gene Array Kolekcja delecji, krzyżowana z badanym genem Sporulacja, Selekcja haploidów MATa Selekcja pojedynczych i podwójnych mutantów Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437

63 SGA

64 dslam Diploid-based synthetic lethality analysis with microarrays (dslam)

65 Rekonstrukcja sieci interakcji Dixon et al. 2009, Systematic mapping of genetic interaction networks. Annu Rev Genet 43:601-25

66 Interakcje genetyczne ujęcie systemowe Interakcje genetyczne wskazują na związki funkcji Mogą wiązać elementy tego samego szlaku/kompleksu, ale też różnych szlaków, powiązanych funkcją Zestaw interakcji (pozycja na mapie interaktomu genetycznego) może wskazywać na funkcję genu

67 Sieci interakcji Sieć interakcji syntetycznych letalnych jest rzadka około 1% Interakcje syntetyczne są jednak częste pomiędzy genami o powiązanej funkcji (18%-25%) Dixon et al. 2009, Systematic mapping of genetic interaction networks. Annu Rev Genet 43:601-25

68 Interakcje genetyczne a fizyczne Interakcje fizyczne i genetyczne rzadko się nakładają, choć częściej, niż przewidywano by dla pełnej losowości Nakładanie się interakcji genetycznych i fizycznych częste dla interakcji pozytywnych (epistaza) Interakcje negatywne z reguły pomiędzy różnymi kompleksami fizycznymi Dixon et al. 2009, Systematic mapping of genetic interaction networks. Annu Rev Genet 43:601-25

69 Wyniki sieci interakcji genetycznych

70 Costanzo i wsp., (2010) Science 327, 425

71 Genomika cech wieloczynnikowych Dziedziczenie wieloczynnikowe - fenotyp zależy od interakcji alleli wielu genów oraz środowiska W odróżnieniu od fenotypów mendlowskich mają zwykle charakter zmienności ciągłej (ilościowej), a nie dyskretnej QTL - Quantitative Trait Loci - loci cech ilościowych - obszary genomu w istotny sposób wpływające na fenotyp cechy wieloczynnikowej

72 Genomika cech wieloczynnikowych Ważne zagadnienie dla genetyki człowieka częste choroby, zmienność prawidłowa genetyki roślin uprawnych genetyki zwierząt hodowlanych teorii ewolucji Głównie analizy statystyczne Czy można zastosować proste organizmy modelowe?

73 QTL u drożdży QTL u drożdży można badać wykorzystując szczepy o różnym tle genetycznym S. cerevisiae - bardzo duża zmienność, nawet wśród szczepów laboratoryjnych

74 QTL u drożdży - 3 strategie Bulk Segregant Analysis (BSA) - masowa analiza segregantów Individual Segregant Analysis (ISA) - analiza pojedynczych segregantów (równoległa) Reciprocal Hemizygosity Scanning (RHS) - analiza hemizygotycznych delecji

75 QTL u drożdży Wilkening et al. (2014), Genetics, 196:

76 QTL u drożdży Wilkening et al. (2014), Genetics, 196:

77 QTL u drożdży - metoda ISA Wilkening et al. (2014), Genetics, 196:

78 QTL u drożdży Metoda ISA pozwala na mapowanie cech, których nie można selekcjonować (np. kształt kolonii) Skuteczność zależy od liczby pojedynczych segregantów, które można przeanalizować Obecnie do ~1000

79 Genotypowanie szczepów Co można dziś Do 384 bibliotek/tydzień <15 /próbka 30x pokrycie Wilkening et al. BMC Genomics :90

80 Inne zastosowanie metody ISA Mapa częstości rekombinacji homologicznej w skali genomu Wilkening et al. BMC Genomics :90

81 Ewolucja eksperymentalna

82 Ewolucja eksperymentalna Możliwość prowadzenia wielu hodowli równolegle przez wiele pokoleń

83 Ewolucja wielokomórkowości Selekcja w hodowlach S. cerevisiae w kierunku szybkiego opadania osadu Pojawiają się grupy komórek ( płatki śniegu )

84 Ewolucja wielokomórkowości wyjściowe - jednokomórkowe po 14 pokoleniach selekcji po 60 pokoleniach selekcji

85 Ewolucja specjalizacji Pod koniec w zgrupowaniach pojawił się podział funkcji niektóre komórki inicjują programowaną śmierć by ułatwić podział grupy przez fragmentację

86 Wzrost kolonii

87 Podział kolonii