Kvasinka Saccharomyces cerevisiae: Jak jsem se stala modelkou

Tento příklad ukazuje nad jiné jasně, na jaké obtíže naráží objevování biologických zákonů. Obrovská variabilita živých organizmů badatele nutí, aby zákonitost předvedli nejprve na vybraném modelovém organizmu, který vykazuje analyzovaný jev v čisté a co nejzjevnější podobě. Pak teprve následuje období, kdy se ověřuje, zda jde opravdu o něco obecného. Na správné volbě modelu často záleží veškerý úspěch.

Jak se vybírají modelové organizmy?

Když molekulární genetici hledali po 2. světové válce vhodný organizmus pro studium zákonitostí přenosu genetické informace v buňce, toužili po jednoduchém modelu, který by dával rychlé odpovědi a snadno se s ním pracovalo. Volba tehdy padla na bakterii Escherichia coli . Vzpomínám, jak se Jiří Stárka vrátil v šedesátých letech 20. století z Pasteurova ústavu a nadšeně vykládal o regulaci transkripce, kterou právě objevili F. Jacoba J. Monod (za objev genetické regulace proteosyntézy obdrželi r. 1965 Nobelovu cenu). Svůj seminář tehdy ukončil Monodovými slovy: „…a co je dobré pro bakterie, jedobré i pro slona…“. Nadšeným potleskem jsme odměnili jeho brilantní přednes i závěrečné provolání. Měli jsme hrdý pocit, že to, co zjišťujeme i my na E. coli, má obecný význam. Čas však neúprosně ukázal, že nadšení bylo oprávněné jen částečně. Zdá se, že základní rysy replikace, transkripce a translace genetické informace jsou stejné nebovelmi podobné u mnoha organizmů. Jestliže si ale přestaneme všímat shody v základních principech, rozdílů mezi prokaryonty a eukaryonty výrazně přibývá a často jde o rozdíly velmi závažné. Proto bylo třeba zvolit komplikovanější eukaryotický model, který by nabízel podobné výhody jako E. coli, a navíc by umožnil podchytit rozdíly na buněčné i molekulární úrovni. Konkurz na místo modelky vyhrála v sedmdesátých letech 20. století kvasinka Saccharomyces cerevisiae (viz též Vesmír 75, 226, 1996/4). Proč?

• Není patogenní.
• Obsahuje jen 3,5krát více DNA než E. coli.
• Roste rychle, má krátkou generační dobu (i méně než 90 minut), takže také dává rychlé odpovědi.
• Buňky se při dělení většinou zcela oddělují, a tvoří tedy po výsevu na plotny monoklonální kolonie (klony vzniklé z jediné buňky), což usnadňuje např. izolaci mutantů.
• Od klasické genetiky dostala pekařská kvasinka do vínku sbírky plné různých mutantů a metodický základ pro analýzu genomu.

  Není divu, že již v roce 1996 byla přečtena genetická informace zaznamenaná v jejím genomu. Vystoupila tak na první místo mezi eukaryonty a k překvapení mnohých předběhla i samotnou E. coli.

• Pro biochemické studie lze z průmyslových kultivací získat laciné kvasnice v „neomezeném množství“.
• Je to sexy mikroorganizmus. Má stabilní haploidní a diploidní stav. V haploidním stavu má 16 chromozomů. Velikost DNA v jednotlivých chromozomech je menší než 2 miliony párů bází, a jejich molekuly mohou být tudíž separovány pulzní elektroforézou. V haploidním stavu se projeví i recesivní mutace, což umožňuje izolaci příslušných mutantů. Na úrovni diploidního stavu, po sexuálním křížení haploidů opačného párovacího typu, lze komplementovat poškozenou funkci.
• Jednoduché postupy vnášení DNA do buňky a výskyt plazmidů umožnily rychlý rozvoj technik genového inženýrství, a tím i vyhledávání genů v plazmidových knihovnách.
• Cizorodé geny, včetně lidských, mohou nahradit poškozený kvasinkový gen, což se hodí při analýze jejich funkce.
• Vedle sexuálního křížení lze použít křížení umělé, založené na indukované fúzi protoplastů. V tomto případě lze uzavírat i homosexuální svazky a fúzovat mohou např. i diploidní buňky s haploidními.

Kvasinka je eukaryotickým modelem na buněčné úrovni, ale…

Ne ve všem se kvasinky podobají buňkám svých komplikovanějších eukaryotických příbuzných. Jejich jaderná blána se před dělením jádra nerozpadá, buňky se dělí pučením. Nabídka infekčních virů chybí, zato lze v kvasinkách najít viry neinfekční, a dokonce i kvasinkové priony. Posledním z významných rozdílů je vysoká frekvence rekombinace DNA a její převaha nad jinými způsoby přestavby DNA in vivo.

Zatímco první rozdíly trochu omezují možnosti využití kvasinkového modelu, poslední se stal obrovskou metodickou předností. Umožnil totiž řízeně přestavovat téměř libovolným způsobem kvasinkový genom pomocí zásahů zvenčí. Můžeme zavádět cílené mutace a zase je léčit – jak bez zanechání stopy, tak se stopou. Můžeme přestavovat chromozomy a zavádět chromozomy nové. Můžeme geny ubírat, přidávat (i cizí) nebo přemísťovat. Můžeme dokonce buňky transformovat syntetickými oligonukleotidy, a tím ovlivňovat regulaci genové exprese nebo obměňovat proteinové produkty.

Co je tedy u vyšších eukaryontů jenom zbožným snem, u kvasinky je běžnou realitou experimentální práce. Není divu, že modelka Saccharomyces cerevisiae jako první vstoupila do postgenomové éry. Její nejúspěšnější vystoupení si připomeneme v dalších číslech Vesmíru.