Από τους πρότυπους οργανισμούς στην πρόοδο της ιατρικής Understand article

Μεταφρασμένο από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Ένας απλός μύκητας που χρησιμοποιείται για την παρασκευή της μπύρας χρησιμοποιείται πλέον σε ολόκληρο τον…

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του iStock

Ο καρκίνος επηρεάζει κάθε χρόνο εκατομμύρια ανθρώπους σε ολόκληρο τον κόσμο. Όμως, χάρη στην συνεχόμενη έρευνα για τον καρκίνο και την κυτταρική βιολογία πίσω από αυτόν, οι θεραπείες και τα ποσοστά επιβίωσης βελτιώνονται συνεχώς. Ίσως απροσδόκητα, ο ζυμομύκηταςSchizosaccharomyces pombe είναι ένα σημαντικό εργαλείο για τους ερευνητές του καρκίνου. Αυτός ο πολύ καλά μελετημένος πρότυπος οργανισμός (δείτε το κουτί) έχει οδηγήσει σε συνταρακτικές, βραβευμένες με Νόμπελ ανακαλύψεις και για πάνω από 50 χρόνια έχει παράσχει ενδιαφέροντα στοιχεία για το πώς μεγαλώνουν και διαιρούνται τόσο τα φυσιολογικά όσο και τα καρκινικά κύτταρα.

Ο καρκίνος είναι για τους ανθρώπους ισοδύναμο με ένα ζιζάνιο – ανεπιθύμητα μη φυσιολογικά κύτταρα μεγαλώνουν ανεξέλεγκτα και στο λάθος μέρος. Συχνά είναι το αποτέλεσμα μιας σειράς αλλαγών στο DNA ενός κυττάρου, γνωστές ως μεταλλάξεις, οι οποίες συσσωρεύονται με την πάροδο του χρόνου. Αυτές οι μεταλλάξεις μπορεί να κάνουν τα κύτταρα να μεγαλώνουν πολύ γρήγορα και να διαιρούνται πιο συχνά, σχηματίζοντας τελικά όγκους που εισβάλλουν σε γειτονικούς ιστούς και όργανα και προκαλούν ζημίες. Για να κατανοήσουμε πώς αυτές οι μεταλλάξεις δημιουργούν τον καρκίνο, είναι σημαντικό να καταλάβουμε πρώτα πώς δουλεύουν τα κύτταρα υπό φυσιολογικές συνθήκες.

 

Πρότυποι οργανισμοί

Πολλές από τις βασικές διεργασίες της ζωής, ειδικά στο κυτταρικό επίπεδο, είναι σχεδόν ίδιες σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν οργανισμούς όπως τις μύγες των φρούτων, το ψάρι-ζέβρα (zebra fish), ποντίκια ή ακόμα και ζυμομύκητες (ζύμες) για να μελετήσουν τις βασικές αρχές της αύξησης και της ανάπτυξης των κυττάρων και να εφαρμόσουν αυτές τις γνώσεις στους ανθρώπους. Συγκεκριμένα είδη έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμα για την έρευνα, για αυτό έχουν γίνει γνωστά ως πρότυποι οργανισμοί.

Οι οργανισμοί αυτοί τείνουν να είναι μικροί, εύρωστοι και εύκολο να τους φροντίζεις, με ένα σύντομο κύκλο ζωής. Ο S. pombe είναι ένας ιδιαίτερα χρήσιμος πρότυπος οργανισμός επειδή:

  • Είναι μονοκύτταρος οργανισμός με μόλις 5000 γονίδια (σε αντιδιαστολή με τα 20 000 στα ανθρώπινα κύτταρα)·
  • Είναι εύκολος ο χειρισμός του γονιδιώματος – μπορούν να προστεθούν, μεταλλαχθούν και να αφαιρεθούν γονίδια. Επίσης μπορούν να σημανθούν με φθορίζοντες δείκτες, επιτρέποντας την οπτικοποίηση πρωτεϊνών χρησιμοποιώντας εξειδικευμένα μικροσκόπια·
  • Το γονιδίωμα είναι συνήθως απλοειδές (υπάρχει μόνο ένα αντίγραφο του κάθε χρωμοσώματος), που σημαίνει ότι οι γενετικές αλλαγές θα εκφραστούν στον φαινότυπο και δεν θα καλυφθούν από άλλο γονίδιο·
  • Ο κυτταρικός κύκλος είναι απλός και είναι εύκολο να διακρίνεις σε ποιο στάδιο βρίσκεται το κύτταρο απλώς κοιτώντας το·
  • Πολλά από τα γονίδια του S. pombe έχουν ομόλογα (ισοδύναμα) γονίδια στα ανθρώπινα κύτταρα·
  • Τα κύτταρα μπορούν να μεγαλώσουν γρήγορα, φτηνά και εύκολα και να αποθηκευθούν στους –80 °C για πολλά χρόνια.

 

Δυστυχώς τα ανθρώπινα κύτταρα δεν είναι ιδανικά για την έρευνα του κυτταρικού κύκλου. Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου 20 000 γονίδια, πολλά από τα οποία έχουν περισσότερες από μία λειτουργίες. Επιπλέον, ο χειρισμός ανθρώπινων κυττάρων και DNA στο εργαστήριο μπορεί να είναι δύσκολος, κάνοντας περίπλοκη την αφαίρεση της λειτουργίας ενός συγκεκριμένου γονιδίου με αυτό τον τρόπο. Αυτός ο μονοκύτταρος οργανισμός, γνωστός και ως ζυμομύκητας που αναπαράγεται με διχοτόμηση ή ζυθοσχιζοσακχαρομύκητας (fission yeast), έχει μόλις 4 μm πλάτος και 14 μm μήκος και έχει μόνο περίπου 5000 γονίδια.

S. pombe περιγράφθηκε για πρώτη φορά το 1893 από τον γερμανό επιστήμονα Paul Lindner, ο οποίος ανακάλυψε τον ζυμομύκητα σε Ανατολικής Αφρικής μπύρα από κεχρί. Γι’ αυτό τον ονόμασε με την λέξη για την μπύρα στα Σουαχίλι, δηλαδή pombe. Οι ερευνητές άρχισαν να μελετούν την γενετική και τον κυτταρικό κύκλο του S. pombe την δεκαετία του 1950. Είναι ιδανικός για την έρευνα για πολλούς λόγους: μεγαλώνει εύκολα, δεν είναι παθογόνος και τα κύτταρα είναι αρκετά μεγάλα για να τα δεις με το μικροσκόπιο, περιέχουν μόνο τρία χρωμοσώματα και διαιρούνται κάθε 2–4 ώρες (δείτε το κουτί).

Ένα πολύ δυνατό σημείο του S. pombe ως πρότυπος οργανισμός είναι η ευκολία με την οποία μπορεί να τροποποιηθεί το γονιδίωμά του – συγκεκριμένα γονίδια μπορούν να διαγραφούν εντελώς ή μπορεί να προστεθεί παραπάνω DNA.

Οι επιστήμονες μπορούν να μεγαλώσουν αυτά τα γενετικά τροποποιημένα κύτταρα και ο φαινότυπος (τα χαρακτηριστικά του οργανισμού που μπορούν να παρατηρηθούν) που προκύπτει τους βοηθάει να κατανοήσουν την λειτουργία του τροποποιημένου γονιδίου. Τα κύτταρα του S. pombe είναι επίσης απλοειδή, το οποίο σημαίνει ότι υπάρχει μόνο ένα αντίγραφο του κάθε γονιδίου. Αυτό κάνει την μελέτη της γονιδιακής λειτουργίας ακόμα πιο εύκολη. Σε ένα διπλοειδές κύτταρο (όπου υπάρχουν δύο αντίγραφα του κάθε γονιδίου), χρειάζεται μεγάλη προσοχή για να διασφαλιστεί η τροποποίηση καί των δύο αντιγράφων ενός γονιδίου έτσι ώστε να βγάζει νόημα ο φαινότυπος. Η ύπαρξη ενός μόνο αντιγράφου ενός γονιδίου, όπως στον S. pombe, κάνει απλή αυτή την διαδικασία.

Επιπλέον, ο πολύ καλά χαρακτηρισμένος κυτταρικός κύκλος του S. pombe και το κανονικής ράβδου σχήμα του τον καθιστούν ιδανικό για μελέτες της κυτταρικής αύξησης και της διαίρεσης. Τα κύτταρα διατηρούν το ραβδοειδές σχήμα τους και επιμηκύνονται τα άκρα μέχρι να φτάσει το κύτταρο σε ένα συγκεκριμένο μήκος. Το DNA αντιγράφεται και ένα αντίγραφο του γονιδιώματος πηγαίνει σε κάθε μισό του κυττάρου, στην συνέχεια σχηματίζεται ένα διάφραγμα (βαμμένο λαμπερό με μία φθορίζουσα βαφή) στο κέντρο του κυττάρου και το κύτταρο διαιρείται (δείτε το σχήμα 1). Ο κύκλος επαναλαμβάνεται, με κάθε κύτταρο να μεγαλώνει και να διαιρείται σε δύο θυγατρικά κύτταρα όσο οι συνθήκες είναι κατάλληλες για αύξηση (π.χ. να υπάρχουν άφθονα θρεπτικά συστατικά).

Σχήμα 1. Ο κυτταρικός κύκλος: a) Εικόνα με το μικροσκόπιο κυττάρων του S. Pombe βαμμένων με calcofluor, μία φθορίζουσα βαφή η οποία δεσμεύεται στο κυτταρικό τοίχωμα του ζυμομύκητα. Τα κύτταρα αντιγράφουν το DNA τους και μεγαλώνουν μέχρι να φτάσουν ένα κρίσιμο μήκος, οπότε σχηματίζεται ένα διάφραγμα και το κύτταρο διαιρείται. b) Οι φάσεις G1 (φάση χάσματος 1), S (αντιγραφή του DNA), G2 (φάση χάσματος 2) και M (μίτωση) του κυτταρικού κύκλου του S. pombe. Η φάση στην οποία βρίσκεται ένα κύτταρο του S. pombeμπορεί να εκτιμηθεί μετρώντας το μήκος του.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Louise Weston

Την δεκαετία του 1970, ο Paul Nurse και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν την απομόνωση και τον χαρακτηρισμό μεταλλαγμένων ως προς τον κυτταρικό κύκλο S. pombe – δουλειά που τελικά οδήγησε σε βραβείο Νόμπελ το 2001. Αρχικά οι ερευνητές έψαχναν για γενετικές τροποποιήσεις που προκαλούσαν κυτταρικό θάνατο ή ασυνήθη επιμήκη κύτταρα που δεν μπορούσαν να διαιρεθούν (Nurse et al., 1976). Το σχήμα 2 δείχνει επιμήκη κύτταρα που δεν κατάφεραν να διαιρεθούν μετά από παρεμπόδιση ενός γονιδίου που ονομάζεται cdc (από το Αγγλικό cell-division cycle).

Σχήμα 2: Κύτταρα S pombe που έχουν μία ευαίσθητη στην θερμοκρασία μετάλλαξη στο γονίδιοcdc25 μπορούν να μεγαλώσουν κανονικά (a), αλλά επιμηκύνονται και αποτυγχάνουν να διαιρεθούν όταν μεγαλώνουν σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασία(b). Το γονίδιο cdc25 κωδικεύει μία πρωτεΐνη που ελέγχει την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου. Παρεμποδίζοντας το cdc25 τα κύτταρα εγκλωβίζονται στην φάση G2 (δείτε το σχήμα 1) και δεν μπορούν να εισέλθουν στην μίτωση και να διαιρεθούν.
Η εικόνα είναι ευγενική προσφορά της Louise Weston

Τα οφέλη των πρότυπων οργανισμών γίνονται ξεκάθαρα όταν η έρευνα προάγει την κατανόηση παρόμοιων διεργασιών στους ανθρώπους. Πολλά από τα γονίδια που βρίσκονται στον S. pombe tγια την ρύθμιση της ζημίας και επιδιόρθωσης του DNA, των σημείων ελέγχου και του κυτταρικού κύκλου έχουν ομόλογα (ισοδύναμα) στα ανθρώπινα κύτταρα. Για παράδειγμα, μετά την ταυτοποίηση του γονιδίου cdc2 στον S. pombe, ο Nurse και οι συνάδελφοί του ξεκίνησαν την αναζήτηση για το αντίστοιχο γονίδιο, cdk1 (από το Αγγλικό cyclin dependent kinase 1) στους ανθρώπους (Lee & Nurse, 1987). Το γονίδιο αυτό κωδικεύει μία πρωτεΐνη που ξεκινάει και ρυθμίζει την κυτταρική διαίρεση στους ανθρώπους. Μεταλλάξεις σε αυτό το γονίδιο μπορούν να προκαλέσουν απρογραμμάτιστη κυτταρική διαίρεση και διπλασιασμό ή διαγραφή τμημάτων των χρωμοσωμάτων, κάτι που μπορεί να οδηγήσει σε καρκίνο. Σήμερα μελετάται το θεραπευτικό όφελος της επιλεκτικής παρεμπόδισης της CDK στην θεραπεία του καρκίνου σε ανθρώπους. Οι δυνατότητες ξεπερνούν την αντιμετώπιση του καρκίνου – μάλιστα, ομόλογα τουλάχιστον 50 γονιδίων του S. pombe συνδέονται με ποικίλες ανθρώπινες ασθένειες όπως η κυστική ίνωση, η κληρονομική κώφωση και ο διαβήτης τύπου 2.

Το αρχιτεκτονικό σχέδιο
του εσωτερικού ζύμης που
αναπαράγεται με
διχοτόμηση. Υπάρχουν
πολλά ακόμα να
κατανοήσουμε για το
εσωτερικό αυτού του μύκητα

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Johanna Höög,
EMBL

S. pombe είναι τόσο απαραίτητος για την έρευνα που το 2002 ήταν ο έκτος ευκαρυωτικός οργανισμός για τον οποίο δημοσιεύτηκε η αλληλουχία ολόκληρου του γονιδιώματός του. Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη περισσότερων σημαντικών εργαλείων για την μελέτη του S. pombe, Για παράδειγμα, δημιουργήθηκε μία βιβλιοθήκη 3308 στελεχών του S. pombe, από τα οποία λείπει στο καθένα ένα από τα μη απαραίτητα γονίδια του ζυμομύκητα. Επιπλέον, κάθε πρωτεΐνη του S. pombe έχει επισημανθεί με μία πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (η οποία βγάζει έντονο πράσινο φως υπό υπεριώδη ακτινοβολία), επιτρέποντας να παρατηρηθεί η ακριβής θέση της μέσα στο κύτταρο χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο φθορισμού. Τα εργαλεία αυτά θα κάνουν τον S. pombe έναν ακόμα πιο χρήσιμο πρότυπο οργανισμό για την διερεύνηση της γονιδιακής λειτουργίας (Yanagida, 2002).

Ακόμα δεν κατανοούμε πλήρως πώς ελέγχονται διαδικασίες σαν την κυτταρική αύξηση και διαίρεση και είναι ελάχιστα κατανοητοί οι καθολικοί έλεγχοι της κυτταρικής αύξησης. Υπάρχουν πολλά που μπορούμε να μάθουμε από αυτόν τον απλό μονοκύτταρο οργανισμό για τις πολύπλοκες διεργασίες που είναι σημαντικές τόσο για την υγιή μας ανάπτυξη όσο και για την ανάπτυξη ασθενειών όπως ο καρκίνος.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Για περισσότερες πληροφορίες για τον S. pombe και το πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην επιστημονική έρευνα επισκεφτείτε το PombeNet, μία πηγή που δημιουργήθηκε από το εργαστήριο Forsburg στην Καλιφόρνια
  • H ιστοσελίδα Cancer Research UK προσφέρει προσβάσιμες πληροφορίες για όλα τα κύρια είδη καρκίνου και την τρέχουσα έρευνα.
  • Για περισσότερες πληροφορίες για το πώς γενετικές μεταλλάξεις προκαλούν ασθένειες, δείτε:
  • Για μία άσκηση στην τάξη στην οποία θα συζητηθεί η ηθική του να γνωρίζεις τί σου επιφυλάσσουν τα γονίδιά σου, συμπεριλαμβάνοντας την πιθανότητα για καρκίνο, δείτε:

Author(s)

Η Louise Weston τελείωσε το διδακτορικό της (DPhil) στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, στο Ην. Βασίλειο, ερευνώντας την κυτταρική μετανάστευση σε ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα. Τώρα είναι μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Cancer Research UK και χρησιμοποιεί τον S. pombe για να ερευνήσει τον έλεγχο της κυτταρικής αύξησης.


Review

Οι ζύμες και οι μύκητες είναι μαζί μας, μέσα μας και γύρω μας. Οι μαθητές θα πρέπει να μάθουν στο σχολείο για αυτούς. Τα διδακτικά βιβλία προτείνουν ασφαλείς τρόπους χειρισμού της ανάπτυξης μυκήτων αλλά συχνά δεν παρέχουν επιπλέον λεπτομερείς πειραματικές διαδικασίες που μπορούν να ακολουθηθούν. Το να ξεκινήσετε με την χρήση των μυκήτων στην καθημερινή συντήρηση και παραγωγή τροφίμων θα κεντρίσει το ενδιαφέρον των μαθητών για το θέμα. (Οι δάσκαλοι θα πρέπει να αποφύγουν οποιαδήποτε πρακτική άσκηση που περιλαμβάνει πειράματα με μούχλα, ακόμα και σε κλειστά τριβλία.)

Η χρήση ενός ασφαλούς στελέχους ζύμης (π.χ. όπως αυτά που χρησιμοποιούνται στην αρτοποιεία, στην ωρίμανση τροφίμων, στην παρασκευή μπύρας ή κρασιού) σε ένα καλά καθορισμένο πείραμα πρέπει να ενθαρρύνει κάθε δάσκαλο βιολογίας να δώσει στους μαθητές την ευκαιρία όχι μόνο να μάθουν την σωστή συμπεριφορά στο εργαστήριο, αλλά και να καταλάβουν γιατί ορισμένες διαδικασίες πρέπει να ακολουθούνται με ακρίβεια και να καταγράφονται σωστά προτού κάποιος βγάλει οποιοδήποτε συμπέρασμα. Έτσι θα πρέπει να διδαχθεί η επιστημονική πρακτική πριν δουν οι μαθητές το άρθρο, το οποίο είναι ένα υπόδειγμα επιστημονικής έκθεσης/αναφοράς. Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν μπορούν να οδηγήσουν στον πραγματικό σχεδιασμό πειραμάτων χρησιμοποιώντας τον πρότυπο οργανισμό που περιγράφθηκε. Οι ερωτήσεις με τις οποίες θα τελειώσει η έκθεση θα γεννήσουν περισσότερες υποθέσεις για περαιτέρω έρευνα και συζήτηση στην τάξη.


Friedlinde Krotscheck, Γερμανία




License

CC-BY-NC-ND