シゾサッカロミセス・ポンベ

シゾサッカロミセス・ポンベ
科学的分類
ドメイン：	真核生物
王国：	菌類
分割：	子嚢菌類
クラス：	分裂サッカロミセス
注文：	分裂サッカロミケス綱
家族：	分裂サッカロミセス科
属:	シゾサッカロミセス
種：	S.ポンベ
二名法名
シゾサッカロミセス・ポンベ リンドナー（1893）
同義語[1]
サッカロミセス・メラセイ A.Jörg. サッカロミセス・ポンベ （リンドナー）A.Jörg. シゾサッカロミセス・アシドデボラトゥス ・チャレンコ シゾサッカロミセス・リクファシエンス ・オスターウ。 シゾサッカロミセス・メラセイ （A.Jörg.）リンドナー シゾサッカロミセス・ポンベvar.アシドデボラトゥス シゾサッカロミセス ポンベvar.イオトエンシス・ サカグ。 & 大谷洋 シゾサッカロミセス ポンベvar.オガサワラエンシス サカグ。 & 大谷洋

シゾサッカロミセス・ポンベは「分裂酵母」とも呼ばれ、伝統的な醸造や分子細胞生物学のモデル生物として使用される酵母の一種です。単細胞の真核生物で、細胞は棒状です。細胞は通常、直径3〜4マイクロメートル、長さ7〜14マイクロメートルです。ゲノムは約1410万塩基対で、4,970個のタンパク質コード遺伝子と少なくとも450個の非コードRNAが含まれていると推定されています。 ^[2]

これらの細胞は、細胞先端のみで成長することで形状を維持し、中間分裂によって分裂して同じ大きさの 2 つの娘細胞を生成するため、細胞周期研究の強力なツールとなります。

分裂酵母は1893年にポール・リンドナーによって東アフリカのキビビールから単離された。種名のポンベはス​​ワヒリ語でビールを意味する。1950年代にウルス・ロイポルドによって遺伝学の研究のために、^{[3] [4]}マードック・ミッチソンによって細胞周期の研究のために実験モデルとして初めて開発された。 ^{[5] [6] [7]}

分裂酵母研究者のポール・ナースは、分裂酵母遺伝学と細胞周期研究の独立した学派を統合することに成功しました。ナースは、リー・ハートウェル、ティム・ハントとともに、細胞周期制御に関する研究で 2001年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。

S. pombeの ゲノム配列は、サンガー研究所が率いるコンソーシアムによって2002年に公開され、ゲノムが完全に配列された6番目のモデル真核生物となりました。S. pombeの研究者は、 PomBase MOD（モデル生物データベース）によってサポートされています。これにより、この生物の力が十分に発揮され、ヒト遺伝子と相同性のある多くの遺伝子が特定され、現在までに70％に達しています。 ^{[8] [9]}これには、ヒトの疾患に関与する多くの遺伝子が含まれています。^{[10] 2006年には、}緑色蛍光タンパク質を分子タグとして使用して、 S. pombeのほぼすべてのタンパク質の細胞内局在が公開されました。 ^[11]

シゾサッカロミセス・ポンベは、DNA損傷に対する細胞反応やDNA複製のプロセスの研究においても重要な生物となっている。

S. pombeの自然株は約160種分離されており、ヨーロッパ、南北アメリカ、アジアなどさまざまな場所から収集されています。これらの株の大部分は、リンゴやブドウなどの栽培果物、またはブラジルのカシャーサなどのさまざまなアルコール飲料から収集されています。S . pombeは発酵茶であるコンブチャにも含まれていることが知られています。^[12] S. pombeがそのような醸造物の主な発酵菌なのか、汚染物質なのかは現時点では明らかではありません。シゾサッカロミセス酵母の自然生態は十分に研究されていません。

シゾサッカロミセス・ポンベは、1893年にドイツのビール醸造協会の研究所で研究していたグループが、東アフリカから輸入されたキビビールに酸味を与える沈殿物があることを調べていたときに初めて発見されました。「分裂」または「分裂」を意味するシゾという用語は、それ以前に他のシゾサッカロミセス属を説明するために使用されていました。スワヒリ語で「ビール」を意味するポンベに「ポンベ」という単語が追加された理由は、東アフリカのビールから分離されたためです。標準的なS.ポンベ株は、ウルス・ロイポルドが1946年と1947年にオランダのデルフトの酵母コレクションから得た培養物から分離しました。それはA.オスターワルダーによってS.ポンベvar. 1924年にスイスのヴェーデンスヴィルにある連邦ブドウ園芸試験所でフランスワイン（おそらく腐敗していた）から分離されて以来、 S . liquefaciensと呼ばれている。ウルス・ロイポルドが使用した培養物には、交配型h90（株968）、h-（株972）、h+（株975）の細胞が含まれていた。これに続いて、果物、花の蜜、発酵物からS. pombeを分離する2つの大規模な取り組みが行われてきた。1つはフロレンツァーノらによるもので^[13]、もう1つはゴメスら（2002）によるもので、ブラジル南東部の4つの地域で行われた。^[14]

分裂酵母S. pombe は子嚢菌門に属し、菌類の中で最大かつ最も多様なグループです。自由生活性の子嚢菌は、樹木の浸出液、植物の根や周囲の土壌、熟した果実や腐った果実、また基質間を運ぶ昆虫媒介生物と共生してよく見られます。これらの共生関係の多くは共生または腐生ですが、多数の子嚢菌 (およびその担子菌類) は、商業作物を含む無数の植物種を標的とする重要な植物病原体です。子嚢菌酵母属の中で、分裂酵母Schizosaccharomycesは、よりよく知られている β-グルカンに加えて、細胞壁に α-(1,3)-グルカンまたはシュードニゲランが沈着し、キチンがほとんどないことで独特です。この属の種はマンナンの組成も異なり、マンナンの側鎖に末端のd-ガラクトース糖が見られます。S . pombeは過剰な糖の存在下で好気性発酵を起こします。 ^[15] S. pombeはワインの主な有機酸の1つであるL-リンゴ酸を分解できるため、他のサッカロミセス株とは異なっています。

酵母の種であるシゾサッカロミセス・ポンベとサッカロミセス・セレビシエはどちらも広く研究されており、この2つの種は現在から約3億～6億年前に分岐しており^[16]、分子生物学や細胞生物学において重要なツールとなっています。この2つの種を区別する技術的な特徴としては、以下のものがあります。

• S. cerevisiae には約 5,600 個のオープンリーディングフレームがあり、S. pombe には約 5,070 個のオープンリーディングフレームがあります。
• 遺伝子の数は似ているにもかかわらず、S. cerevisiaeにはイントロンが約 250 個しかないのに対し、S. pombe には約 5,000 個あります。
• S. cerevisiae には 16 本の染色体があり、S. pombe には 3 本あります。
• S. cerevisiaeは二倍体であることが多いが、S. pombeは通常一倍体である。
• S. pombeはシェルターリン様テロメア複合体を持つが、S. cerevisiaeにはない。^[17]
• S. cerevisiae は長期間にわたって細胞周期の G1 期にあり(その結果、G1-S 遷移は厳密に制御されます)、一方S. pombe は長期間にわたって細胞周期の G2 期に留まります (その結果、G2-M 遷移は厳密に制御されます)。
• 両種は高等真核生物と遺伝子を共有しているが、互いに共有している遺伝子はない。S . pombe は脊椎動物のようなRNAi機構遺伝子を持っているが、 S. cerevisiaeにはそれがない。また、 S. cerevisiae はS. pombeに比べてヘテロクロマチンが大幅に簡素化されている。^[18]逆に、S. cerevisiae はペルオキシソームがよく発達しているが、S. pombeにはそれがない。
• S. cerevisiae は125 bp の小さなポイントセントロメアと、ほぼ同じサイズの配列定義複製起点を持っています。逆に、S. pombe は、哺乳類のセントロメアに似た大きな反復セントロメア (40～100 kb) と、少なくとも 1kb の退化した複製起点を持っています。

S. pombe遺伝子産物（タンパク質とRNA）は、すべての生命に共通する多くの細胞プロセスに関与しています。分裂酵母GOスリムは、すべてのS. pombe遺伝子産物の生物学的役割のカテゴリ別概要を提供します。^[8]

分裂酵母は、単純で完全に特徴づけられたゲノムと急速な成長速度を持つ単細胞菌類です。醸造、パン作り、分子遺伝学の分野で長年使用されてきました。S . pombe は直径約 3 μm の棒状の細胞で、端が伸びるだけで成長します。有糸分裂後、細胞を中央で分割する隔壁または細胞板が形成されて分裂が起こります。

細胞増殖の中心的な出来事は、S期（合成期）に起こる染色体の複製であり、続いて染色体の分離と核分裂（有糸分裂）および細胞分裂（細胞質分裂）が起こり、これらは総称してM期（有糸分裂期）と呼ばれます。G1はM期とS期の間のギャップであり、G2はS期とM期の間のギャップです。分裂酵母では、G2期が特に長く、新しいS期（合成期）が開始されるまで細胞質分裂（娘細胞の分離）は起こりません。

分裂酵母は多細胞動物と同様のメカニズムで有糸分裂を司る。通常は半数体で増殖する。飢餓状態になると、反対の交配型（PとM）の細胞が融合して二倍体接合子を形成し、すぐに減数分裂に入り、4つの半数体胞子を生成する。条件が改善されると、これらの胞子は発芽して増殖する半数体細胞を生成する。^[19]

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  細胞周期の一般的な特徴。
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  分裂酵母の特定の細胞周期。
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  明視野および暗視野光学顕微鏡による分裂サッカロミセスの分裂段階

ここでは細胞質分裂の一般的な特徴を示します。細胞分裂の場所は後期の前に決定されます。その後、後期紡錘体 (図の緑色の部分) は、分離された染色体が所定の分裂面の反対側にくるように配置されます。

分裂酵母では、成長がG2/Mの進行を左右しますが、wee1変異により異常に小さいサイズで有糸分裂に入ることになり、G2が短くなります。G1が長くなることから、G2/M制御が失われると、Start（細胞周期の始まり）の進行が成長に反応していることが示唆されます。さらに、栄養状態の悪い細胞は成長が遅いため、サイズが2倍になって分裂するまでに時間がかかります。栄養レベルが低いと成長閾値もリセットされるため、細胞はより小さなサイズで細胞周期を進行します。ストレスの多い条件（熱（40°C）または酸化剤の過酸化水素）にさらされると、S. pombe細胞は細胞分裂時間の増加と細胞死の可能性の増加で測定される老化を起こします。 ^[20] 最後に、wee1変異体分裂酵母細胞は野生型の細胞よりも小さいですが、細胞周期を通過するのに同じ時間がかかります。これが可能なのは、小さな酵母細胞は成長が遅い、つまり単位時間あたりに追加される総質量が通常の細胞よりも小さいためです。

分裂酵母では、空間勾配が細胞の大きさと有糸分裂の開始を調整していると考えられている。^{[21] [22] [23]} Pom1タンパク質キナーゼ（緑）は細胞皮質に局在し、細胞先端で最も濃度が高い。細胞周期調節因子Cdr2、Cdr1、およびWee1は、細胞中央の皮質ノードに存在する（青と赤の点）。a、小さな細胞では、Pom1勾配は皮質ノードのほとんどに到達している（青い点）。Pom1はCdr2を阻害し、Cdr2とCdr1がWee1を阻害するのを防ぎ、Wee1がCdk1をリン酸化できるようにして、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）の活性を不活性化し、有糸分裂の開始を防ぐ。b、長い細胞では、Pom1勾配は皮質ノードに到達しない（赤い点）ため、ノードではCdr2とCdr1が活性のままである。 Cdr2 と Cdr1 は Wee1 を阻害し、Cdk1 のリン酸化を防ぎ、それによって CDK の活性化と有糸分裂の開始につながります。(この簡略化された図では、CDK 活性の他のいくつかの調節因子は省略されています。)

分裂酵母は、細胞周期のS期に起こる複製連動組換えイベントによって交配型を切り替える。分裂酵母は、DNA複製プロセスの固有の非対称性を利用して交配型を切り替える。これは、複製の方向が細胞型の変更に必要であることが示された最初のシステムであった。交配型切り替えシステムの研究は、部位特異的な複製終結部位RTS1、部位特異的な複製一時停止部位MPS1、および交配型遺伝子座mat1で姉妹染色分体の1つをマークする新しいタイプの染色体インプリントの発見と特徴付けにつながった。さらに、サイレンシングされたドナー領域に関する研究は、ヘテロクロマチンの形成と維持に関する理解を大きく前進させた。^[24]

シゾサッカロミセス・ポンベは、栄養が不足しているときでも交尾できる通性生殖微生物である。^[25]シゾサッカロミセス・ポンベ を酸化ストレスを引き起こし、酸化的DNA損傷につながる過酸化水素にさらすと、交尾と減数分裂胞子の形成が強く誘導される。^[26] この発見は、減数分裂、特に減数分裂組換えがDNA損傷を修復するための適応である可能性を示唆している。^{[26]この見解を裏付けるのは、}シゾサッカロミセス・ポンベ のDNAにおけるdU:dG型の単一塩基損傷が減数分裂組換えを刺激するという発見である。^[27] この組換えには、DNA骨格からウラシルを除去して塩基除去修復を開始する酵素であるウラシル-DNAグリコシラーゼが必要である。この発見に基づいて、ウラシル塩基、脱塩基部位、または一本鎖切断のいずれかの塩基除去修復がS. pombeにおける組換えを開始するのに十分であると提案された。^[27] S. pombe を用いた他の実験では、 DNA複製中間体、すなわち岡崎断片の誤った処理が一本鎖切断やギャップなどのDNA損傷を引き起こし、これが減数分裂組換えを刺激することが示された。^[28]

分裂酵母は、哺乳類、特にヒトのようなより複雑な生物を理解するために使用できる細胞の基本原理を研究するための注目すべきモデルシステムとなっている。^{[29] [30]}この単細胞真核生物は非病原性であり、研究室で簡単に増殖および操作できる。^{[31] [32]}分裂酵母は、真核生物の既知のゲノム配列の中で最も少ない数の遺伝子を含み、そのゲノムには3つの染色体しかない。^[33]分裂酵母細胞における細胞分裂および細胞組織化を担う遺伝子の多くは、ヒトのゲノムにも見られる。^{[31] [32] [34]}細胞周期の制御および分裂は、あらゆる細胞の成長および発達にとって極めて重要である。分裂酵母の保存された遺伝子は精力的に研究されており、最近の多くの生物医学的発展の理由となっている。^{[35] [36]}分裂酵母は円筒形の単細胞真核生物であり、中央分裂によって分裂して増殖するため、細胞分裂を観察するための実用的なモデルシステムでもあります。 ^[31]これは顕微鏡で簡単に見ることができます。分裂酵母の世代時間も2〜4時間と非常に短いため、実験室で観察および増殖しやすいモデルシステムでもあります。^[32]分裂酵母のゲノム構造は単純ですが、哺乳類のゲノムと類似しており、操作が容易で、薬物分析に使用できるため、生物医学や細胞生物学の研究、および遺伝子分析のモデルシステムに大きく貢献しています。^{[32] [25] [30] [37] [38]}

シゾサッカロミセス・ポンベは、ヘテロクロマチンタンパク質、大きな複製起点、大きなセントロメア、保存された細胞チェックポイント、テロメア機能、遺伝子スプライシング、その他多くの細胞プロセスなど、人間にも見られる保存されたゲノム領域があるため、細胞分裂と成長の研究によく使用されます。^{[33] [39] [40]} S. pombeのゲノムは2002年に完全に配列決定され、ゲノムプロジェクトの一環として配列決定された6番目の真核生物ゲノムとなりました。約14MbのDNAを含む3本の染色体から、推定4,979個の遺伝子が発見されました。このDNAは、セントロメア（40kb）領域とテロメア（260kb）領域にギャップがある核内の3つの異なる染色体に含まれています。^[33]分裂酵母ゲノムの最初の配列決定後、これまで配列が決定されていなかった遺伝子の他の領域の配列が決定されました。これらの遺伝子領域の構造と機能の解析は、PomBaseなどの大規模な分裂酵母データベースで見つけることができます。

ゲノムプロジェクトの遺伝子の43％、4,739個の遺伝子にイントロンが含まれていることがわかった。分裂酵母は出芽酵母に比べて重複遺伝子が少なく、5％しかないため、分裂酵母は観察するのに最適なモデルゲノムであり、研究者はより機能的な研究アプローチを作成することができます。S . pombeは多数のイントロンを持っているため、選択的スプライシングから生成されるタンパク質の種類や、ヒトの同等の遺伝子をコードする遺伝子の範囲が広がる可能性があります。^[33] 分裂酵母の3つのセントロメアの81％の配列が決定されています。3つのセントロメアの長さは、34、65、110 kbであることがわかりました。これは出芽酵母のセントロメアの300～100倍の長さです。セントロメアのDGS領域の1,780bp領域でも非常に高いレベルの保存性（97%）が見られます。このセントロメアの伸長とその保存的配列により、分裂酵母は細胞分裂を観察するための実用的なモデルシステムとなり、類似性からヒトにも使用されています。^{[33] [41] [42]}

PomBase ^{[8] [43]}は、タンパク質コード遺伝子の69%以上にヒト相同遺伝子があり、そのうち500以上がヒト疾患と関連していると報告している。このことから、S. pombeはヒト遺伝子や疾患経路、特に細胞周期やDNAチェックポイントシステムを研究するのに最適なシステムとなっている。^{[42] [44] [45] [46]}

S. pombeのゲノムには、wtf遺伝子と呼ばれる減数分裂ドライバーとドライブサプレッサーが含まれています。^[47]

分裂酵母の生物多様性と進化に関する研究は、20か国から収集されたSchizosaccharomyces pombeの161株で実施されました。^[48]進化速度のモデル化により、すべての株が約2,300年前から生息している共通の祖先に由来することが示されました。この研究では、それぞれが1,900以上のSNPで異なる57株の分裂酵母のセットも特定され、^[48]検出された57株の分裂酵母はすべて原栄養性（参照株と同じ最小培地で増殖できる）でした。^[48] S.pombeゲノムに関する多くの研究は、分裂酵母株の遺伝的多様性は出芽酵母よりもわずかに低いという考えを支持しています。^[48]確かに、異なる環境で増殖するS.pombeのバリエーションは限られています。さらに、分裂酵母で分離する表現型の変異の量は、S. cerevisiaeで見られるものよりも少ない。^[49]分裂酵母のほとんどの株は醸造飲料から分離されたため、この分散には生態学的または歴史的な文脈はありません。

酵母におけるDNA複製は、多くの研究者によって研究されてきました。酵母におけるDNA複製、遺伝子発現、保存されたメカニズムをさらに理解することで、研究者はこれらのシステムが哺乳類細胞全般、特にヒト細胞でどのように機能するかについての情報を得ることができます。^{[40] [50] [51] [52]}細胞の成長や老化などの他の段階も、より複雑なシステムにおけるこれらのメカニズムを理解するために酵母で観察されています。^{[34] [53] [54] [55]}

S. pombeの定常期細胞は、DNA損傷を引き起こす活性酸素種の産生により経時的に老化する。このような損傷のほとんどは、通常、DNA塩基除去修復とヌクレオチド除去修復によって修復できる。^[56] これらの修復プロセスの欠陥は生存率の低下につながる。

細胞質分裂は、分裂酵母でよく見られる細胞分裂の要素の 1 つです。分裂酵母では、細胞質分裂のよく保存された要素が見られ、さまざまなゲノムシナリオを調べて、突然変異を正確に特定することができます。^{[45] [57] [58]}細胞質分裂は永続的なステップであり、細胞の健康にとって非常に重要です。^[59]特に収縮環の形成は、 S. pombe をモデルシステムとして使用する研究者によって精力的に研究されています。収縮環は、分裂酵母とヒトの細胞質分裂の両方で高度に保存されています。^[45]細胞質分裂の突然変異は、細胞死や癌細胞の発生など、細胞の多くの機能不全を引き起こす可能性があります。^[45]これはヒトの細胞分裂では複雑なプロセスですが、S. pombeではより単純な実験で、ヒトなどの高次モデルシステムの研究に応用できる結果が得られます。

細胞が正確な細胞分裂を確実に行うために講じる安全対策の 1 つが、細胞周期チェックポイントです。^{[60] [61]}これらのチェックポイントは、変異原が排除されるようにします。^[62]これは、多くの場合、標的のユビキチン化を刺激し、細胞質分裂を遅らせるリレー信号によって行われます。^[33]このような有糸分裂チェックポイントがなければ、変異原が生成され、複製され、細胞死や癌細胞に見られる腫瘍形成など、さまざまな細胞の問題が発生します。ポール・ナース、リーランド・ハートウェル、ティム・ハントは、2001 年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。彼らは、細胞が適切に分裂するために不可欠な重要な保存チェックポイントを発見しました。これらの発見は、癌や病気の細胞に関連しており、生物医学にとって注目すべき発見です。^[63]

分裂酵母をモデルシステムとして用いる研究者は、細胞小器官のダイナミクスと反応、および酵母細胞と哺乳類細胞との間の相関関係の可能性についても研究している。^{[64] [65]}分裂酵母の染色体のダイナミクスとタンパク質発現レベルと調節を観察することで、ミトコンドリア疾患やゴルジ体や小胞体などのさまざまな細胞小器官システムをさらに理解することができる。^{[46] [51] [66] [67] [68] [69]}

RecAおよびRecA様タンパク質は、DNA二本鎖切断の組み換え修復に必要である。 ^[70] S. pombeでは減数分裂組み換えに関連する 5つのRecA様タンパク質が報告されており、5つのRecAホモログすべてが減数分裂組み換えの正常レベルに必要であると思われる。^[70]

しかし、分裂酵母をモデルシステムとして使用するには、多剤耐性という限界がある。「多剤耐性反応には、ATP結合カセット（ABC）ファミリーと主要促進因子スーパーファミリーという2種類の薬剤排出ポンプの過剰発現が関与している」^[35] 。ポール・ナースと彼の同僚たちは最近、化学阻害剤と共通プローブに敏感なS. pombe株を作成し、分裂酵母を化学薬品研究のモデルシステムとして使用できるかどうかを確認した。^[35]

例えば、非常に一般的な化学療法用抗生物質であるドキソルビシンには、多くの副作用があります。研究者は、分裂酵母をモデルシステムとして使用して耐性に関連する遺伝子を観察することにより、ドキソルビシンがどのように作用するかをさらに理解する方法を模索しています。ドキソルビシンの副作用と染色体代謝および膜輸送との関連が見られました。薬物標的化のための代謝モデルは現在、バイオテクノロジーで使用されており、分裂酵母モデルシステムを使用して将来的にさらなる進歩が期待されています。^[36]

分裂酵母は入手しやすく、簡単に増殖させて変異体を作ることができ、一倍体または二倍体のどちらの状態でも維持することができます。S . pombeは通常一倍体細胞ですが、ストレスのかかる条件（通常は窒素欠乏）に置かれると、2つの細胞が接合して二倍体を形成し、後に四分子の子嚢内に4つの胞子を形成します。^[32]このプロセスはどの顕微鏡でも簡単に見ることができ、観察できるため、より単純なモデルシステムで減数分裂を観察して、この現象がどのように機能するかを見ることができます。

したがって、このモデルシステムには、四分子解剖、変異原分析、形質転換、FRAPやFRETなどの顕微鏡技術など、事実上あらゆる遺伝学実験や技術を適用できます。また、Tug-Of-War（gTOW）などの新しいモデルも、酵母の堅牢性を分析し、遺伝子発現を観察するために使用されています。ノックイン遺伝子とノックアウト遺伝子の作成はかなり簡単で、分裂酵母のゲノムが配列決定されているため、この作業は非常にアクセスしやすく、よく知られています。^{[71] [72]}

• DNA損傷（自然に発生するもの）
• DNA修復
• 酵母
• ポムベース

• PomBase - ポンベゲノムデータベース
• MicrobeWiki の Schizosaccharomyces pombe のページ