Tipos de levadura. Entran profesionales.
Debido a que es apto para crecer en dos ambientes, puede crecer con o sin oxígeno, pero las sustancias químicas producidas en los dos ambientes son diferentes.
Levadura
Nombre en inglés: levadura
Las levaduras son unos hongos unicelulares y no son una unidad de clasificación filogenética. La levadura es el microorganismo más antiguo utilizado en la historia de la civilización humana. Actualmente se conocen más de 1.000 especies de levaduras. Según su capacidad para producir esporas (ascosporas y basidiosporas), las levaduras se pueden dividir en tres categorías: las cepas formadoras de esporas pertenecen a los ascomicetos y a los basidiomicetos. Los hongos que no forman esporas pero se reproducen principalmente mediante gemaciones se denominan hongos incompletos o "pseudolevaduras". Actualmente se sabe que la mayoría de las levaduras se clasifican en el filo Ascomycota. La levadura está ampliamente distribuida en la naturaleza y crece principalmente en ambientes ácidos, húmedos y azucarados. Por ejemplo, es más común en el interior y la superficie de frutas, verduras, conservas y suelos de huertos.
[Editar este párrafo] Fisiología
Las levaduras pueden vivir una vida aeróbica obligada o facultativa, y actualmente no existen levaduras anaeróbicas obligadas. En ausencia de oxígeno, la levadura en fermentación obtiene energía convirtiendo los azúcares en dióxido de carbono y etanol.
C6H12O6 (glucosa) → 2C2H5OH (alcohol) 2CO2 ↑
Durante el proceso de elaboración de cerveza, el etanol se retiene durante el proceso de hornear pan o cocinar bollos al vapor, el dióxido de carbono eleva la masa; , El alcohol se evapora.
En un ambiente de oxígeno, la levadura convierte la glucosa en agua y dióxido de carbono. Por ejemplo, los bollos y el pan al vapor que comemos son producidos por la levadura en un ambiente de oxígeno.
[Editar este párrafo] Composición de elementos químicos
La composición química de la levadura está relacionada con el medio de cultivo, las condiciones de cultivo y el estado fisiológico de la propia levadura.
En circunstancias normales:
La composición elemental media de las células de levadura () es la siguiente:
Carbono-47 Hidrógeno-6,5 Oxígeno-31 Nitrógeno-7,5 ~10 Fósforo -1,6~3,5
El contenido de otros elementos es muy pequeño ()
Calcio-0,3~0,8 Potasio-1,5-2,5 Magnesio--0,1~0,4 Sodio-0,06 -0,2 Azufre-0,2
Oligoelementos encontrados en la levadura (mg/kg)
Hierro--90-350 Cobre: 20-135 Zinc: 100-160 Cobalto: 15-65
[Editar este párrafo] Características
La mayoría de las levaduras se pueden aislar de ambientes ricos en azúcar, como algunas frutas (uvas, manzanas, melocotones, etc.) o secreciones vegetales (como como jugo de nopal). Algunas levaduras viven dentro de los insectos. La levadura es un microorganismo eucariota unicelular. Las formas de las células de levadura suelen ser esféricas, ovaladas, en forma de salchicha, ovaladas, en forma de limón o en forma de loto. Mucho más grande que los individuos unicelulares de bacterias, generalmente de 1 a 5 micras y de 5 a 20 micras. La levadura no tiene flagelos y no puede nadar. La levadura tiene una estructura celular eucariota típica, que incluye pared celular, membrana celular, núcleo, citoplasma, vacuolas, mitocondrias, etc., y algunas también tienen microcuerpos. Morfología de las células de levadura Morfología de las células de levadura Micrografía de la estructura de las células de levadura Colonia de levaduras.
La mayoría de las colonias de levadura tienen características similares a las bacterias, pero son más grandes y más espesas que las colonias bacterianas. La superficie de la colonia es lisa, húmeda, pegajosa y fácil de remover. La textura de la colonia es uniforme. , y los lados frontal y posterior, los bordes y el centro son. Los colores son muy uniformes, la mayoría de las colonias son de color blanco lechoso, algunas son rojas y algunas son negras. Colonias de levadura de cerveza Colonias de levadura roja Colonias de levaduras diversas.
[Editar este párrafo] Reproducción
La levadura puede reproducirse asexualmente mediante gemación, o reproducirse sexualmente mediante la formación de ascosporas. La reproducción asexual significa que cuando las condiciones ambientales son adecuadas, un brote crece a partir de la célula madre, crece gradualmente hasta alcanzar un tamaño maduro y luego se separa de la madre. Cuando el estado nutricional es deficiente, algunas levaduras capaces de reproducirse sexualmente formarán esporas (normalmente cuatro) y germinarán cuando las condiciones sean adecuadas.
Algunas levaduras, como la Candida, no pueden reproducirse asexualmente.
Condiciones de crecimiento de la levadura
Nutrición:
La levadura necesita nutrientes similares a los de otros organismos vivos. Al igual que las bacterias, tiene un conjunto de sistemas enzimáticos intracelulares y extracelulares. descomponen las macromoléculas en moléculas pequeñas que son fácilmente utilizadas por el metabolismo celular.
Humedad:
Al igual que las bacterias, la levadura debe tener agua para sobrevivir, pero la levadura necesita menos agua que las bacterias. Algunas levaduras pueden crecer en un ambiente con muy poca humedad, como la miel y. mermelada, lo que demuestra que tienen una tolerancia bastante alta a la presión osmótica.
Acidez:
La levadura puede crecer en el rango de pH de 3-7,5, y el valor de pH óptimo es pH 4,5-5,0.
Temperatura:
Las células de levadura generalmente no pueden crecer a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua o superiores a 47°C. La temperatura óptima de crecimiento suele estar entre 20°C y 30°C. .
Oxígeno:
La levadura puede crecer tanto en ambientes aeróbicos como anaeróbicos, es decir, la levadura es un anaerobio facultativo. En ausencia de oxígeno, la levadura descompone el azúcar en alcohol y agua. En presencia de oxígeno, descompone el azúcar en dióxido de carbono y agua. En presencia de oxígeno, la levadura crece más rápido.
[Editar este párrafo]Usos
La levadura más mencionada, Saccharomyces cerevisiae (también conocida como levadura de panadería), ha sido utilizada por los humanos para fermentar el pan desde hace miles de años. Y el alcohol, el dióxido de carbono, se libera de la masa durante el proceso de fermentación del pan y los bollos al vapor.
Dado que la levadura es un organismo eucariota unicelular simple, fácil de cultivar y que crece rápidamente, se utiliza ampliamente en la investigación biológica moderna. Por ejemplo, Saccharomyces cerevisiae es un importante organismo modelo y un importante material de investigación para la genética y la biología molecular.
[Editar este párrafo] Categorías de productos
Existen varios métodos de clasificación para los productos de levadura. La levadura se puede dividir en levadura comestible y levadura alimentaria para diferentes fines de consumo humano y alimentación animal. La levadura comestible se divide en levadura de panadería, levadura alimenticia y levadura medicinal.
(1) La levadura de panadería se divide en levadura prensada, levadura seca activa y levadura seca activa rápida.
① Levadura prensada: producto en bloque elaborado a partir de Saccharomyces cerevisiae con un contenido de humedad del 70 al 73%. Es de color amarillo claro, tiene una estructura compacta, es fácil de triturar y tiene una gran capacidad para hacer masa. Se puede almacenar durante aproximadamente 1 mes a 4 ℃ y de 2 a 3 meses a 0 ℃. El producto se obtuvo originalmente presionando y deshidratando la leche de levadura centrifugada usando un filtro prensa de placa y marco, por lo que se llama levadura prensada. comúnmente conocida como levadura fresca. Al hacer masa, su dosis es del 1 al 2% de la cantidad de harina y la temperatura de fermentación es de 28 a 30 °C. El tiempo de fermentación varía según factores como la cantidad de levadura, la temperatura de fermentación y el contenido de azúcar de la masa. Generalmente es de 1 a 3 horas.
②Levadura seca activa: producto de levadura seca producido por Saccharomyces cerevisiae con un contenido de humedad de aproximadamente el 8%, forma granular y capacidad para levantar masa. Se elabora cultivando levadura fresca de una madre alcohólica con resistencia al secado y poder de fermentación estable, para luego extruirla y secarla. El efecto de fermentación es similar al de la levadura prensada. Los productos se envasan en bolsas al vacío o de papel de aluminio o en latas de metal llenas de gas inerte (como nitrógeno o dióxido de carbono), con una vida útil de medio año a un año. En comparación con la levadura prensada, tiene las ventajas de un período de almacenamiento prolongado, sin necesidad de conservación a baja temperatura y un transporte y uso convenientes.
③ Levadura seca activa rápida: un nuevo tipo de producto de granulado fino (menos de 1mm de diámetro) con poder de fermentación rápido y eficiente. El contenido de humedad es del 4 al 6%. Se basa en levadura seca activa, utilizando tecnología de ingeniería genética para obtener una cepa de Saccharomyces cerevisiae altamente resistente al secado. Se obtiene secando con proporciones especiales de nutrientes y condiciones estrictas de cultivo de proliferación y utilizando equipos de secado de lecho fluidizado. Al igual que la levadura seca activa, se almacena al vacío o se llena con gas inerte y tiene una vida útil de más de 1 año. En comparación con la levadura seca activa, tiene partículas más pequeñas y un alto poder de fermentación. No necesita hidratarse antes de su uso, pero puede mezclarse directamente con harina y agregarse con agua para formar una masa para la fermentación. En poco tiempo, se puede incorporar a los alimentos.
Este producto no apareció en el mercado hasta los años 70 y fue muy popular entre los consumidores. La investigación ha encontrado que la levadura Angel tiene la mayor actividad.
(2) Levadura alimentaria: levadura seca en polvo o producto granular que no tiene capacidad de fermentar y reproducirse para el consumo humano. Se puede obtener reciclando puré de levadura de cerveza o cultivándolo y secándolo específicamente para las necesidades nutricionales humanas. Estados Unidos, Japón y algunos países europeos incorporan alrededor del 5% de levadura en polvo comestible en productos de cereales comunes como pan, pasteles, galletas y bollos para aumentar el valor nutricional de los alimentos. El autolisado de levadura se puede utilizar como aditivo para carnes, mermeladas, sopas, quesos, pan, verduras y condimentos; se puede utilizar como fortificante de la nutrición en alimentos para bebés y alimentos saludables; El 5′-nucleótido preparado a partir de extracto de autólisis de levadura y glutamato monosódico se puede utilizar como aditivo para realzar el sabor de los alimentos (ver). La invertasa concentrada extraída de la levadura Angel se utiliza como agente de licuefacción en el chocolate relleno de huevo. La lactasa extraída de la levadura producida a partir del suero se puede utilizar en el procesamiento de la leche para aumentar el dulzor, prevenir la cristalización de la lactosa en el concentrado de suero y satisfacer las necesidades de los consumidores con intolerancia a la lactosa.
El método de fabricación y las propiedades de la levadura medicinal son las mismas que las de la levadura alimentaria. Debido a que es rico en proteínas, vitaminas, enzimas y otras sustancias fisiológicamente activas, se elabora en tabletas de levadura, como las tabletas de Shimu Sheng, en medicina para tratar la indigestión causada por una dieta poco razonable. Las personas con una constitución débil pueden ajustar la función metabólica hasta cierto punto después de tomarlo. Durante el proceso de cultivo de levadura, agregar algunos elementos especiales para producir levadura que contenga oligoelementos como selenio y cromo puede tener ciertos efectos curativos en algunas enfermedades. Por ejemplo, la levadura que contiene selenio se usa para tratar la enfermedad de Keshan y la enfermedad de Kashin-Beck, y tiene cierto efecto en la prevención del envejecimiento celular; la levadura que contiene cromo se puede usar para tratar la diabetes, etc.
(3) Levadura alimentaria: normalmente Candida o Kluyveromyces fragilis se cultiva y se seca para producir un producto en polvo o granular que no tiene capacidad de fermentación y las células están en estado muerto. Es rico en proteínas (alrededor del 30-40%), vitaminas del grupo B, aminoácidos y otras sustancias, y se utiliza ampliamente como suplemento proteico para la alimentación animal. Puede promover el crecimiento y desarrollo de los animales, acortar el período de alimentación, aumentar la cantidad de carne y huevos, mejorar la calidad de la carne y la tasa de carne magra, mejorar el brillo del pelaje y mejorar la resistencia a las enfermedades de las aves jóvenes y el ganado.
[Editar este párrafo] Peligros
Algunas levaduras son dañinas para los organismos o los electrodomésticos. Por ejemplo, la levadura roja (Rhodotorula) crecerá en muebles húmedos como cortinas de baño falsas de color blanco. albicans crece en tejidos epiteliales humanos húmedos, como el revestimiento vaginal.
[Editar este párrafo] Papel de la levadura
1. Composición del genoma de la levadura
Antes del inicio del proyecto de secuenciación de Saccharomyces cerevisiae, la gente había determinado mediante métodos genéticos tradicionales Métodos Se identificaron alrededor de 2.600 genes que codifican ARN o proteínas en la levadura. Al secuenciar el genoma completo de Saccharomyces cerevisiae, se descubrió que hay 5885 marcos de lectura abiertos que codifican proteínas específicas en la secuencia del genoma completo de 12068 kb. Esto significa que en promedio hay un gen codificador de proteínas cada 2 kb en el genoma de la levadura, es decir, el 72% de la secuencia de nucleótidos de todo el genoma consta de marcos de lectura abiertos. Esto muestra que los genes de las levaduras están más estrechamente dispuestos que los de otros eucariotas superiores. Por ejemplo, en el genoma de C. elegans, se encuentra un gen codificador de proteínas cada 6 kb en promedio; en el genoma humano, se encuentra un gen codificador de proteínas cada 30 kb o más bases en promedio. La compacidad del genoma de la levadura se debe a regiones intergénicas cortas y a la escasez de intrones en los genes. La longitud promedio del marco de lectura abierto del genoma de la levadura es de 1450 pb o 483 codones. El más largo es un marco de lectura abierto de función desconocida (4910 codones) ubicado en el cromosoma XII. También hay muy pocos marcos de lectura abiertos que sean más largos. 1500 codones. En el genoma de la levadura, también hay genes que codifican proteínas cortas, como el gen PMP1 que codifica una proteína lipídica de la membrana citoplasmática compuesta por 40 aminoácidos.
Además, el genoma de la levadura también contiene: alrededor de 140 genes que codifican ARN, dispuestos en el extremo largo del cromosoma XII; 40 genes que codifican SnRNA, dispersos en 16 cromosomas; 275 genes de ARNt pertenecientes a 43 familias también están ampliamente distribuidos en el genoma. La Tabla 1 proporciona una descripción general de la distribución de genes de levadura en cada cromosoma.
Tabla 1 Descripción general de los cromosomas de levadura
Número de cromosomas
Longitud (pb)Número de genesNúmero de genes de ARNt
I 23× 103 89 4
II 807188 410 13
III 315×103 182 10
IV 1531974 796 27
V 569202 271 13
VI 270×103 129 10
VII 1090936 572 33
VIII 561×103 269 11
IX 439886 221 10
X 745442 379 24
XI 666448 331 16
XV 1092283 560 20
La mayoría de los cromosomas de levadura están compuestos de diversos grados de un amplio mosaico de secuencias de ADN ricas en GC y secuencias de ADN pobres en GC. Este cambio en el contenido de GC está relacionado con la estructura del cromosoma, la densidad de los genes y la frecuencia de recombinación. Las regiones con alto contenido de GC generalmente están ubicadas en el medio de los brazos cromosómicos, y la densidad genética en estas regiones es alta; las regiones con bajo contenido de GC generalmente están cerca de los telómeros y centrómeros, y la cantidad de genes en estas regiones es relativamente pobre. Simchen et al. confirmaron que la incidencia relativa de la recombinación genética en la levadura, es decir, la incidencia relativa de roturas de doble cadena, está acoplada a las regiones de los cromosomas ricas en GC, y que las frecuencias de recombinación de diferentes cromosomas son diferentes, con Frecuencias de recombinación más pequeñas de los cromosomas I, III, IV y IX. Mayores que la frecuencia de recombinación promedio de todo el genoma.
Otra característica obvia del genoma de la levadura es que contiene muchas secuencias repetitivas de ADN, algunas de las cuales son exactamente las mismas secuencias de ADN, como los genes rDNA y CUP1, los factores Ty y sus secuencias LTR únicas derivadas. etc. El marco de lectura abierto o región espaciadora del gen contiene una gran cantidad de repeticiones de trinucleótidos, lo que ha atraído gran atención. Porque algunas enfermedades genéticas humanas son causadas por cambios en el número de repeticiones de trinucleótidos. Hay más secuencias de ADN que tienen mayor homología entre sí. Estas secuencias de ADN se denominan redundancia genética. Los extremos de múltiples cromosomas de levadura tienen regiones altamente homólogas de más de decenas de kb de longitud. Son las principales regiones de abundancia genética. En estas regiones todavía se llevan a cabo frecuentes procesos de recombinación. Otra forma de exceso genético es la duplicación de un solo gen, de la cual el tipo disperso es el más típico y un tipo menos común es una familia de genes agrupados. Las regiones de homología agrupadas (CHR) son grandes segmentos homólogos ubicados en múltiples cromosomas revelados por la secuenciación del genoma de la levadura. Cada segmento contiene múltiples genes homólogos que se corresponden entre sí, y su orden de disposición y dirección de transcripción son muy similares, y también pueden ser pequeños. inserciones o eliminaciones. Estas características indican que las regiones homólogas agrupadas son un producto intermedio entre la duplicación de grandes segmentos cromosómicos y la diferenciación completa y, por lo tanto, son buenos materiales para estudiar la evolución del genoma y se denominan fósiles de duplicación de genes.
Las duplicaciones terminales cromosómicas, las duplicaciones de un solo gen y las regiones homólogas agrupadas constituyen la estructura general de la abundancia genética del genoma de la levadura. Los estudios han demostrado que un grupo de genes en abundancia genética a menudo tienen funciones fisiológicas iguales o similares, por lo que las mutaciones en uno o varios genes entre ellos no muestran fenotipos identificables, lo cual es muy importante para la investigación funcional de genes de levadura. Por lo tanto, muchos genetistas de levaduras creen que aclarar la verdadera naturaleza y el significado funcional del exceso genético y desarrollar métodos experimentales relacionados con esto son las principales dificultades y cuestiones centrales para revelar las funciones de todos los genes en el genoma de la levadura.
2. Análisis del genoma de la levadura
Antes de que se secuenciara el genoma de la levadura, la gente ya sabía que había una gran cantidad de genes que codificaban proteínas similares en levaduras y mamíferos. No es sorprendente que algunos genes homólogos incluyan aquellos que codifican proteínas estructurales, como las del ribosoma y el citoesqueleto. Sin embargo, algunos genes homólogos son inesperados. Por ejemplo, los dos genes homólogos RAS1 y RAS2 que se encuentran en la levadura son altamente homólogos al protooncogén H-ras de los mamíferos. Las células de levadura que carecen de los genes RAS1 y RAS2 exhiben un fenotipo letal. En 1985, se utilizaron por primera vez cepas de levadura con deficiencias dobles en los genes RAS1 y RAS2 para probar la conservación funcional. Los resultados mostraron que cuando el gen H-ras de mamífero se expresaba en cepas de levadura con deficiencias dobles en los genes RAS1 y RAS2, las cepas de levadura podían hacerlo. Restaurar el crecimiento. Por lo tanto, los genes de levadura RAS1 y RAS2 no sólo son altamente homólogos al protooncogén H-ras humano en la secuencia de nucleótidos, sino que también están conservados en funciones biológicas.
Una vez finalizado todo el proyecto de secuenciación del genoma de la levadura, se podrá estimar cuántos genes de levadura tienen una homología significativa con genes de mamíferos. Botstein et al. compararon todos los genes de levadura con genes de mamíferos en la base de datos GenBank (excluyendo las secuencias EST) y encontraron que casi el 31% de los genes de levadura o marcos de lectura abiertos que codifican proteínas son altamente homólogos a los genes sexuales que codifican proteínas de los mamíferos. Debido a que la base de datos no contiene todas las secuencias que codifican proteínas de mamíferos, ni siquiera todos los miembros de una familia de proteínas, los resultados anteriores sin duda se subestimarán. Las homologías entre genes de levaduras y mamíferos a menudo se limitan a dominios individuales en lugar de proteínas completas, lo que refleja la reordenación de dominios funcionales durante la evolución de las proteínas. Entre los más de 5800 genes codificadores de proteínas en la levadura, alrededor de 41 (~2611) se descubrieron mediante métodos genéticos tradicionales y el resto se descubrieron mediante la determinación de la secuencia de ADN. Aproximadamente 20 genes de levadura codifican proteínas que tienen diversos grados de homología con productos genéticos con funciones conocidas en otros organismos (aproximadamente 6 de ellos muestran una fuerte homología y aproximadamente 12 muestran una homología ligeramente más débil, por lo que se puede especular preliminarmente sobre su función biológica). Hay 10 genes (alrededor de 653) en el genoma de la levadura que tienen homología con genes de proteínas con funciones desconocidas en otros organismos, que se denominan pares o familias huérfanas, alrededor del 25% de los genes (~ 1544) no tienen homología con todos los descubiertos; genes de proteínas. Son genes nuevos descubiertos por primera vez y son genes verdaderamente huérfanos. El descubrimiento de estos genes huérfanos es una cosecha importante del proyecto del genoma de la levadura. La elucidación de sus funciones avanzará enormemente en la comprensión de los procesos vitales de la levadura, atrayendo así la atención de muchos genetistas.
Con el fin de analizar sistemáticamente las funciones de más de 3.000 nuevos genes descubiertos mediante la secuenciación del genoma de la levadura, en enero de 1996, una vez finalizados los trabajos de secuenciación del ADN, Europa creó una red denominada EUROFAN (Red Europea de Análisis Funcional) Red de Investigación.
Esta red consta de 144 laboratorios en 14 países europeos. Incluye consorcios de servicios (A1-A4), consorcios de investigación (B0-B9) y departamentos de análisis funcional específicos (nodos de análisis funcional específicos, N1-N14) de tres partes, cada parte tiene muchas. pequeñas ramas. Entre ellos, el departamento B0 del equipo de investigación es responsable de producir mutantes de deleción de genes de levadura específicos. La cepa mutante por deleción se produjo utilizando un método de reemplazo de genes mediado por PCR desarrollado recientemente, es decir, el gen de resistencia a la kanamicina (KanMX) de la bacteria y la secuencia promotora y de terminación del hongo lineal Ashbya gossypil se construyeron en una unidad de expresión. Resistencia a G418 en células de levadura. Luego, los cebadores de PCR se diseñan de acuerdo con la secuencia de ADN cromosómico que se va a reemplazar. El exterior de estos cebadores es homólogo a la secuencia de ADN cromosómico y el interior garantiza que el gen KanMX pueda amplificarse mediante PCR. operaciones de reemplazo de genes. A través de esta tecnología, los genes recién descubiertos pueden reemplazarse intencionalmente con KanMX para causar mutaciones por eliminación de genes, y luego los fenotipos de estos mutantes por eliminación de levadura se pueden estudiar sistemáticamente (como la viabilidad, la tasa de crecimiento, la capacidad de conjugación, etc.) para determinar las funciones. de estos genes. Hay dos problemas en este método que limitan el proceso experimental: primero, la mayoría de los mutantes (60-80) no muestran fenotipos de mutación obvios, lo que a menudo está relacionado con el exceso genético mencionado anteriormente, incluso si muchos mutantes tienen fenotipos; cambios, no reflejan la función de la proteína que codifican. Por ejemplo, algunos mutantes no pueden crecer en ambientes con altas temperaturas o sal, pero estos fenotipos no pueden indicar nada sobre la función fisiológica de la proteína faltante.
3. El papel de la levadura como organismo modelo
Como organismo modelo para eucariotas superiores, especialmente para la investigación del genoma humano, el papel más directo de la levadura se refleja en el campo de la bioinformática. Cuando las personas descubren un nuevo gen humano con una función desconocida, pueden buscar rápidamente genes de levadura con funciones conocidas que sean homólogas a él en cualquier base de datos del genoma de la levadura y obtener información relevante sobre su función, acelerando así el desarrollo de genes humanos funcionales. estudios de genes. Los estudios han encontrado que muchos genes implicados en enfermedades genéticas tienen una alta homología con los genes de la levadura. El estudio de las funciones fisiológicas de las proteínas codificadas por estos genes y sus interacciones con otras proteínas ayudará a profundizar la comprensión de estas enfermedades genéticas. Además, muchas enfermedades humanas importantes, como la diabetes en etapa temprana, el cáncer de intestino delgado y las enfermedades cardíacas, son enfermedades genéticas poligénicas. Descubrir todos los genes relevantes involucrados en estas enfermedades es un proceso difícil y largo que está relacionado con los genes poligénicos humanos. Enfermedades genéticas Las similitudes entre genes relacionados con enfermedades nos proporcionarán una ayuda importante para mejorar el diagnóstico y el tratamiento.
El mejor ejemplo de levadura como organismo modelo se refleja en la investigación de genes relacionados con enfermedades genéticas humanas obtenidos mediante análisis de ligamiento, clonación posicional y luego verificación de secuenciación. La secuencia de nucleótidos de este último es consistente con eso. de genes de levadura. La homología proporciona excelentes pistas para el estudio de su función. Por ejemplo, los genes relacionados con el cáncer de intestino delgado sin poliposis hereditario humano y los genes MLH1 y MSH2 de la levadura, los genes relacionados con la ataxia telangiectasia y el gen TEL1 de la levadura, los genes relacionados con el síndrome de Bloom y el gen SGS1 de la levadura, son todos ellos. alto grado de homología (ver Tabla 2). El gen del cáncer de intestino delgado hereditario sin poliposis exhibe un fenotipo celular de secuencias repetidas de nucleótidos cortas inestables en las células tumorales. Antes de que se clonara el gen humano, los investigadores aislaron un gen con el mismo fenotipo en mutaciones de levadura (mutaciones msh2 y mlh1). Inspirado por este resultado, se especuló que el gen del cáncer de intestino delgado es un gen homólogo de MSH2 y MLH1, y su homología en secuencias de nucleótidos confirmó aún más esta especulación.
El síndrome de Bloom es una enfermedad genética con manifestaciones clínicas de pubertad precoz. Las células del paciente muestran un ciclo de vida más corto cuando se cultivan in vitro y el gen relacionado es idéntico al gen SGS1 que codifica la helicasa en la levadura. Al igual que las células cultivadas de individuos con síndrome de Bloom, las células de levadura con mutaciones en el gen SGS1 exhibieron un ciclo de vida significativamente más corto. Francoise et al. estudiaron más de 170 genes humanos obtenidos mediante clonación funcional y descubrieron que 42 de ellos tienen una homología obvia con genes de levadura. La mayoría de los productos codificantes de estos genes humanos están relacionados con vías de transducción de señales, transporte de membrana o síntesis de ADN. Relacionados con la reparación, mientras que aquellos genes humanos que no tienen una homología obvia con los genes de la levadura codifican principalmente algunos receptores de membrana, componentes de la sangre o del sistema inmunológico, o algunas enzimas y proteínas importantes en vías metabólicas humanas especiales.
Tabla 2 Genes de Saccharomyces cerevisiae altamente homólogos a genes de enfermedades humanas clonados posicionalmente
Enfermedades humanas
Genes humanos
ADNc humano
Número de acceso de GenBank
Gen de levadura ADNc de levadura
Número de acceso de GenBank Función del gen de levadura
Cáncer de intestino delgado hereditario sin poliposis MSH2
U03911 MSH2 M84170 Proteína reparadora del ADN
Cáncer hereditario de intestino delgado sin poliposis MLH1 U07418 MLH1 U07187 Proteína reparadora del ADN
Fibrosis quística CFTR N28668 YCF1 L35237 Metaloanticuerpos Proteína sexual
Wilson enfermedad WND U11700 CCC2 L36317 Transportador de cobre
Deficiencia de glicerol quinasa GK L13943 GUT1 X69049 Glicerol quinasa
Síndrome de Bloom BLM U39817 SGS1 U22341 Helicasa
Adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X ALD Z21876 PAL1 L38491 Transportador de peroxidasa
***Ataxia telangiectasia ATM U26455 TEL1 U31331 P13 quinasa
Esclerosis lateral amiotrófica SOD1 K00065 SOD1 J03279 Superóxido dismutasa
Atrofia muscular distrófica DM L19268 YPK1 M21307 Serina/treonina proteína quinasa
Síndrome de Lewy OCRL M88162 YIL002C X47047 IPP-5-fosfatasa
Neurofibromatosis tipo I NF1 M89914 IRA2 M33779 Proteína reguladora inhibidora
As Si se obtiene más información genética de eucariotas superiores, la gente descubrirá que más genes de levadura tienen homología con genes de eucariotas superiores, por lo que el papel del genoma de la levadura en el campo de la bioinformática será más importante. Esto a su vez facilitará la investigación sobre el genoma de la levadura. En comparación con la levadura, los eucariotas superiores tienen fenotipos más ricos, lo que compensa la falta de cambios fenotípicos obvios causados por ciertas mutaciones genéticas en la levadura. Los siguientes ejemplos ilustran la relación que se refuerza mutuamente entre la levadura y la investigación del genoma humano. El xeroderma pigmentoso humano es una enfermedad de la piel autosómica recesiva que fácilmente se convierte en cáncer de piel. Ya en 1970, Cleaver et al. informaron que el xeroderma pigmentoso y los mutantes de levadura sensibles a los rayos ultravioleta están relacionados con la falta de una vía de reparación por escisión de nucleótidos (reparación por escisión de nucleótidos, NER). En 1985, se secuenció el primer gen relacionado con la vía NER y se confirmó que era el gen RAD3 de la levadura.
En 1987, Sung informó por primera vez que la levadura Rad3p podía reparar defectos en la actividad de la ADN helicasa en células eucariotas. En 1990, las personas clonaron el gen xPD relacionado con el xeroderma pigmentoso y descubrieron que tiene una homología extremadamente alta con el gen RAD3 de la vía NER de la levadura. Posteriormente, se descubrió que todos los genes NER humanos pueden encontrar genes homólogos correspondientes en la levadura. En 1993 se produjo un gran avance cuando se descubrió que la xPBp y la xPDp humanas eran componentes esenciales del complejo TFIIH de la ARN polimerasa II en la maquinaria de transcripción. Por lo tanto, se especuló que los genes homólogos de xPBp y xPDp en la levadura (RAD3 y RAD25) también deberían tener funciones similares. Basándose en esta pista, se obtuvieron rápidamente resultados satisfactorios y se confirmó la suposición original.
El papel de la levadura como organismo modelo no es sólo en bioinformática, sino que también proporciona un sistema experimental que puede detectar organismos eucariotas superiores. Por ejemplo, se puede utilizar la complementación funcional de genes heterólogos y genes de levadura para confirmar la función del gen. Según las estadísticas incompletas de Bassett, hasta el 15 de julio de 1996 se habían descubierto al menos 71 pares de genes complementarios entre humanos y levaduras.
Estos genes de levadura se pueden dividir en seis tipos:
1. 20 genes están relacionados con el metabolismo biológico, incluida la síntesis de macromoléculas biológicas, el metabolismo energético de la cadena respiratoria y el metabolismo de los fármacos;
2. 16 genes están relacionados con la regulación de la expresión génica, incluida la transcripción, el procesamiento postranscripcional, la traducción, el procesamiento postraduccional y el transporte de proteínas.
3. 1 gen codifica el transporte de membrana; Proteína
4. 7 genes están relacionados con la síntesis y reparación del ADN
5. 7 genes están relacionados con la transducción de señales
6. 17 genes relacionados; al ciclo celular. Ahora, se ha descubierto que cada vez más genes humanos pueden compensar los genes mutantes de la levadura, por lo que el número de genes complementarios entre los humanos y la levadura ha superado con creces las estadísticas anteriores.
Los experimentos de complementación funcional en levaduras son sin duda un atajo para estudiar las funciones de los genes humanos. Si un gen humano de función desconocida puede compensar un gen mutado en levadura con una función conocida, sugeriría que los dos tienen funciones similares. Para algunos genes humanos con funciones conocidas, también es importante realizar experimentos de complementación funcional. Por ejemplo, los tres genes humanos GALK2 (galactoquinasa), GALT (UDP-galactosiltransferasa) y GALE (UDP-galactosa isomerasa) relacionados con la galactosemia pueden compensar respectivamente la mutación genética GAL1, GAL7 y GAL10 correspondiente. Antes de realizar los experimentos complementarios, las vías del metabolismo de la lactosa en humanos y en levaduras ya estaban muy claras, y los métodos de detección de actividad de varias enzimas también eran muy completos, obteniéndose sus productos puros, lo que permitió realizar una serie de análisis bioquímicos. Con la clonación y el aislamiento exitosos de tres genes relacionados con la galactosemia humana, se han hecho posibles experimentos de complementación funcional, lo que confirma aún más la conservación de genes relacionados con la galactosemia humana y genes de levadura a nivel genético. La gente ha promovido aún más este logro y ha utilizado sistemas de levadura para la detección de galactosemia y la terapia génica, como distinguir mutantes reales y polimorfismos genéticos, simular los fenotipos combinados de múltiples mutantes en la levadura o detectar mutaciones supresoras dentro de genes o entre genes, etc. Estos métodos también son aplicables al estudio de otras enfermedades genéticas.
La utilización de las funciones de genes heterólogos y genes de levadura también puede convertir a la levadura en una herramienta de detección de nuevos genes en otros organismos. Los clones complementarios se obtienen examinando bibliotecas de expresión de ADNc humano utilizando mutantes de genes de levadura específicos. Por ejemplo, Tagendreich et al. utilizaron el mutante de división celular (mutante cdc) de levadura para aislar múltiples genes homólogos que desempeñan un papel en el proceso de mitosis de las células humanas. Utilizando este método, las personas también han clonado y aislado múltiples genes nuevos en cultivos, ganado y aves de corral. Para aprovechar plenamente el papel de la levadura como organismo modelo, además de desarrollar la bioinformática de la levadura y mejorar los métodos de investigación para la complementación funcional de genes heterólogos en la levadura, establecer el genoma más pequeño de la levadura también es un enfoque factible.
Un genoma mínimo de levadura es aquel en el que todos los genes significativamente redundantes se reducen al número mínimo que permite que la levadura crezca en medios sintéticos en condiciones experimentales. La complementación genética de clones de ADNc humano con genes deficientes de función conocida en la levadura puede determinar la función de nuevos genes humanos, pero este experimento de complementación se verá afectado por otros genes redundantes en el genoma de la levadura. Si los genes conservados en el genoma mínimo de la levadura construido pueden ser reemplazados completamente por secuencias de ADN humano o viral, entonces el fenotipo de reemplazo dependerá completamente de los genes extraños, que se convertirán en un análisis para el sistema de detección de fármacos anticancerígenos y antivirales. ?
4. Aplicación de la levadura en ingeniería de fermentación
La levadura eucariota unicelular tiene un mecanismo de control de la expresión genética relativamente completo y la capacidad de procesar y modificar productos de expresión. Saccharomyces.Cerevisiae fue la primera en ser reconocida en genética molecular y también fue la primera levadura huésped para la expresión de genes extraños. En 1981, Saccharomyces cerevisiae expresó el primer gen extraño, el gen del interferón, y posteriormente se expresaron una serie de genes extraños en este sistema. Aunque el interferón y la insulina han sido producidos en masa por Saccharomyces cerevisiae y se utilizan ampliamente, cuando se utilizaron resultados de laboratorio. alentador al preparar Saccharomyces cerevisiae, pero los rendimientos disminuyeron rápidamente cuando se ampliaron del laboratorio a la escala industrial. La razón es que la presión selectiva del alto número de copias del plásmido vítreo en el medio de cultivo desaparece y el plásmido se vuelve inestable y el número de copias disminuye. El número de copias es un factor esencial para una expresión eficiente, por lo que una disminución en el número de copias conduce directamente a una disminución en la expresión de genes exógenos. Al mismo tiempo, la composición de los medios de cultivo de laboratorio es compleja y costosa, lo que da como resultado una disminución del rendimiento cuando se utilizan medios aceptables a escala industrial. Para superar las limitaciones de Saccharomyces cerevisiae, Wegner et al. en los Estados Unidos desarrollaron por primera vez un sistema de expresión de levadura de segunda generación representado por levadura metilotrófica en 1983. Las levaduras metilotróficas incluyen: Pichia, Candida, etc. El sistema de expresión de genes extraños que utiliza Pichia pastoris como huésped se ha desarrollado más rápidamente en los últimos años y es también el más utilizado. La razón por la que el sistema Pichia pastoris es muy utilizado es que además de las características de la levadura general, este sistema tiene.