Kvasinka dvou tváří

Kvasinka Saccharomyces cerevisiae (viz Vesmír 75, 226, 1996/4) je ten nejvhodnější organizmus k pokusům. Je maličká, tudíž nezabere mnoho místa, rychle se množí a v porovnání třeba s chovem myší nespotřebuje mnoho živin. Je eukaryont jako my, takže se na ní dá ledacos lidského testovat. Můžeme ji držet v diploidním i haploidním stavu a můžeme do ní zavádět různé genové konstrukce jak na plazmidech, což není nic neobvyklého, tak na chromozomech, protože ona dokáže účinně homologně rekombinovat.

Samozřejmě má i své zvláštnosti. Například celé jaderné dělení se odehrává pod ochranou celistvé jaderné blány, což není běžné, a množí se pučením, nikoli příčným dělením jako rostlinné buňky, s nimiž však má společnou přítomnost buněčné stěny.

Rozmnožování pučením není známo jen u kvasinky S. cerevisiae, ale i u mnoha jiných kvasinkových druhů. Na mateřské buňce začne vyrůstat pupínek. Zvětšuje se a zvětšuje, až vznikne nová buňka, která obsahuje téměř stejnou výbavu (proteiny, organely, DNA) jako buňka mateřská. Určitá část výbavy je do dceřiné buňky přenesena po vřeténku z mikrotubulů spojujících obě buňky. Prostor pro vytvoření vřeténka zajišťují aktinová vlákna, která jsou odpovědná za růst pupene a dělení buňky. U haploidních a některých diploidních kvasinek se pupeny objevují v blízkosti dotyku buňky mateřské a dceřiné, které se od sebe neoddělují, ale tvoří shluky. Jde o axiální pučení (ve směru osy kvasinky). U diploidních buněk se objevuje i druhý způsob pučení, a to polární (na koncích kvasinky). Nové pupeny mohou vznikat buď jen na jednom konci, nebo na obou koncích.

Pseudohyfální buňky

Nedávno byl u S. cerevisiae objeven zvláštní typ kvasinkových buněk. Vědci je začali nazývat pseudohyfální buňky (viz obr. obrázek). Jsou protáhlé, tvarem připomínají klobásky a tvoří dlouhá vlákna, pseudohyfy. Pseudohyfa se začíná formovat z mateřské elipsoidální buňky, z níž vypučí buňka protáhlého tvaru a normálně se oddělí buněčnou stěnou, což je odlišný způsob tvoření vláken, než známe u kvasinek rodu Candida. (Ty mohou tvořit i tzv. hyfy, které připomínají dlouhé roury s přepážkami, v nichž jsou otvory a cytoplazma může volně protékat celým vláknem. Nejsou to tedy řetízky jednotlivých buněk uspořádaných za sebou.)

Na opačném konci, než se protáhlá pseudohyfální buňka dotýká buňky mateřské, vyrůstají další protažené buňky (jde o unipolární pučení). Tímto způsobem se tvoří páteř filamentu, po jehož stranách jsou axiálním typem pučení produkovány oválné buňky podobné blastosporám.

Tento typ buněčného formování S. cerevisiae byl pozorován pouze v případech, kdy kvasinky byly kultivovány na médiu s nízkým obsahem dusíku. Po spotřebování dusíkových zásob v nejbližším okolí se kvasinka vydává do dalších, ještě neosídlených oblastí. Tam začne produkovat normální oválné buňky, které dovedou lépe využít dosažené živiny. Pokud je na misce o průměru 150 mm více než 500 kolonií, nedochází k přepnutí na pseudohyfální růst! Kvasinka nějakým způsobem pozná, že ani o kus dál by už neměla šanci se pořádně nakrmit! Proto přepne na stacionární stav a už to na překvasinkované misce nějak vydrží do smrti nebo do doby, než ji experimentátor přenese na vhodnější substrát.

Ačkoli byla kvasinka S. cerevisiae považována za neškodného saprofyta, v podobě pseudohyf byla objevena i v lidských tělech. Například u mnohých HIV-pozitivních pacientů se tato kvasinka stala bezprostřední příčinou úmrtí. Znamená to, že některé její izoláty jsou patogenní. Tím, že se projevuje jako nepříjemný vetřelec v našem těle, se podobá kvasinkám rodu Candida. Patogenní kvasinky se v nás množí, různě prorůstají naše tkáně a lze se jich zbavit jen s obtížemi, protože jakožto eukaryonti nereagují na běžná antibiotika namířená proti bakteriím, a navíc některé přípravky proti eukaryontům by mohly zničit také naši maličkost. U kvasinek rodu Candida bylo prokázáno, že k virulenci je nutné přepnutí z buněčné formy na formu filamentární, ale stále ještě zůstává otevřena otázka, která z forem je vlastně za patogenitu odpovědná. Aby se Candida vyhnula buňkám imunitního systému, tvoří hyfy, zatímco jednobuněčnou formu využije po dosažení cílové tkáně k pomnožení.

Nelze vyloučit, že u S. cerevisiae to probíhá obdobně. Krom toho je zajímavá schopnost S. cerevisiae žít při relativně vysoké teplotě našeho těla. Pro ni je optimální teplota 28 °C, ale v lidských tělech přežívá při 37 °C (a někdy vydrží i 42 °C). Podobnosti S. cerevisiae s kvasinkami rodu Candida by se právě dalo využít ke zkoumání některých jevů například u kvasinek Candida albicans, které se běžně vyskytují v našem těle. Nevýhodou rodu Candida je neschopnost rozmnožovat se pohlavně, tudíž se na objasnění některých jevů s nimi spojených nedá použít tradiční mendelovská genetika. Objevitelé patogenity u S. cerevisiae jásají právě proto, že u této kvasinky se podobné nedokonalosti nevyskytují, a tedy by se dala využít jako model ke zkoumání kvasinek Candida.

Genetické aspekty tvorby pseudohyf

Ponořme se nyní do genetických aspektů tak zvláštního jevu, jako je tvorba pseudohyf. Bylo objeveno mnoho genů, které jsou odpovědné za přepnutí na pseudohyfální růst. Neví se, zda spolu všechny souvisí, ale u některých se na to po předchozích zkušenostech usuzuje.

Všechno by mohlo začít u genu RAS2, jenž produkuje protein nacházející se v buněčné membráně. Jeho prostřednictvím je buňka neustále informována o tom, co se v okolí děje, a hned to hlásí dál, do vnitřku buňky. Přenos informace u S. cerevisiae se uskutečňuje spojením proteinu Ras2 s proteinem Cyr1 a tím se vytvoří funkční adenylátcykláza, která produkuje cAMP. Ten funguje jako druhý posel a přenáší po buňce informace o situaci v jejím okolí. Jeho role byla prokázána v regulaci dimorfizmu (odlišných forem) u jiných vláknitých hub.

Dráha by mohla pokračovat přes nějakou proteinkinázu nebo fosfatázu. Nám se dostává obého. V přítomnosti mutované fosfatázy 2A dochází ke změně buněčné kvasinkové morfologie. Mechanizmus změny je zatím neznámý. Nabízí se paralela se savčí fosfatázou 2A, která se pod vlivem virů podílí na vzniku nádorů.

Jako zástupci proteinkinázy se nabízejí hned tři produkty, a to genu ELM1 (elongated morphology), STE20 a CLA4. Mutace v genu ELM1 způsobují produkci prodlužujících se buněk, které vytvářejí řetízky. Protein Ste20 fosforyluje proteiny Ste11 a Ste7, ty pak působí na transkripční faktor Ste12 – a opět tu máme dlouhé invazivní řetězce kvasinek. Tato dráha od Ste20 se kvasince hodí také ke konjugaci, ovšem místo proteinu Ras2 používá jinou bílkovinu, a úplně prvním aktérem této dráhy je feromon. Produkt genu CLA4 má stejnou funkci jako STE20, ale není pro buňku nezbytný.

Do formování pseudohyf jsou zahrnuty i jiné geny. Skupina genů BUD je odpovědná za výběr místa, kde se nový pupen vytvoří. Jsou-li přítomny produkty genů BUD1, 2 a 5 a zároveň nepřítomny proteiny Bud3 a 4, dochází u kvasinky k pučení bipolárnímu. Ale při mutacích v BUD1, 2 a 5 se pupeny rozmísťují náhodně.

Kdy bude zahájen pseudohyfální růst a kolik buněk bude tvořit pseudohyfy, je zase regulováno produktem genu PHD1.

Ještě tu máme přímou spojitost s dusíkem, bez něhož se kvasinka ani žádný jiný organizmus neobejde. Dusík patří obecně mezi makrobiogenní prvky a například u rostlin tvoří 1,5 % hmotnosti sušiny. Kvasinka vyžaduje pro plynulý průběh životních dějů vysoké dávky dusíku, poněvadž je složkou aminokyselin, bílkovin, enzymů a nukleových kyselin, jejichž výstavba je v buňce nepřetržitá. Pro přepnutí na pseudohyfální typ je potřeba produkt genu SHR3, nalézající se v membráně endoplazmatického retikula. Odpovídá za funkci aminokyselinových permeáz, které umožňují transport aminokyselin. Pokud je mutován, permeázy nejsou transportovány z endoplazmatického retikula do plazmatické membrány a nezprostředkují přenos aminokyselin s potřebným dusíkem. Jeho nepřítomnost pak vyvolá pseudohyfální růst.

Přepnutí na pseudohyfální typ pučení je samozřejmě složitý proces. Možná ještě dlouho nebudeme znát jeho průběh. Můžeme jen obdivovat, jak si takový nepatrný a jednoduchý organizmus najde cestu, aby mohl přežít nepříznivé podmínky a v lepších časech se zas vrátit ke své původní formě.