分裂酵母

分裂酵母（ Schizosaccharomyces pombe）は、伝統的な醸造に用いられる酵母の一種であり、分子生物学や細胞生物学のモデル生物としても用いられています。単細胞真核生物であり、細胞は桿状です。細胞の大きさは通常、直径が3～4マイクロメートル、長さが7～14マイクロメートルです。ゲノムは約1410万塩基対で、4970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、細胞先端部のみから成長することで形状を維持し、中央分裂によって同じ大きさの2つの娘細胞を生成するため、細胞周期研究において強力なツールとなる。

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分離されました。種名のpombeはスワヒリ語でビールを意味します。1950 年代に、ウルス・ロイポルドによって遺伝学の研究に^{[ 3 ] [ 4 ]} 、マードック・ミッチソンによって細胞周期の研究に^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}実験モデルとして初めて開発されました。

分裂酵母の研究者であるポール・ナースは、分裂酵母の遺伝学と細胞周期研究という、これまで独立していた学問分野を融合させることに成功した。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・医学賞を受賞した。

分裂酵母（ S. pombe ）のゲノム配列は、サンガー研究所が主導するコンソーシアムによって2002年に発表され、ゲノムが完全に解読された6番目のモデル真核生物となった。分裂酵母の研究者は、 PomBase MOD（モデル生物データベース）によって支援されている。これにより、この生物の力が最大限に発揮され、ヒト遺伝子と相同な遺伝子が多数特定されている（現在までに70% ） ^{[ 8 ] [ 9 ]。}これには、ヒトの疾患に関与する多くの遺伝子も含まれる^{[ 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、分裂酵母のほぼすべてのタンパク質の細胞内局在が発表された^{[ 11 ] 。}

分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）は、 DNA損傷に対する細胞応答やDNA複製過程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 株分離されています。これらは、ヨーロッパ、北米、南米、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ッ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存在す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要な発酵菌なのか、それとも汚染菌なのかは、現時点では明らかではありません。Schizosaccharomyces 酵母の自然生態は十分に研究されていません。

分裂酵母（ Schizosaccharomyces pombe）は、1893年にドイツの醸造協会研究所で働いていたグループが、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を調べていたときに初めて発見されました。分裂を意味する「schizo」という用語は、それまで他の分裂酵母を説明するために使用されていました。「pombe」という言葉が加えられたのは、東アフリカのビールから分離されたためで、スワヒリ語で「pombe」は「ビール」を意味します。標準的なS. pombe株は、1946年と1947年にウルス・ロイポルドがオランダのデルフトの酵母コレクションから入手した培養物から分離されました。これは、A. オスターワルダーが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場でフランスワイン（おそらく腐敗していた）から分離した後、S. pombe var. liquefaciensという名前でそこに寄託したものです。ウルス・ロイポルドが使用した培養物には、（他のものに加えて）h90（株968）、h-（株972）、h+（株975）の接合型を持つ細胞が含まれていた。その後、果実、蜜、または発酵物からS. pombeを分離する2つの大規模な取り組みが行われた。1つはフロレンツァーノら^{[ 13 ]}によるシチリア島西部のブドウ畑での取り組み、もう1つはゴメスら（2002）によるブラジル南東部の4つの地域での取り組みである^{[ 14 ] 。}

分裂酵母S. pombe は、菌類の中で最も大きく多様なグループである子嚢菌門に属します。自由生活性の子嚢菌は、樹木の滲出液、植物の根や周囲の土壌、熟した果実や腐った果実、そして基質間を運搬する昆虫ベクターとの関連でよく見られます。これらの関係の多くは共生または腐生ですが、多くの子嚢菌（およびその担子菌類の近縁種）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を沈着させ、キチンをほとんど欠いている点で独特です。この属の種はマンナン組成も異なり、マンナンの側鎖に末端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行います。 ^{[ 15 ]} S. pombeはワインの主要な有機酸の1つであるL-リンゴ酸を分解することができ、他のSaccharomyces株とは異なっています。

分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）と出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）はどちらも広く研究されており、これら2種は約3億～6億年前に分岐したと考えられています^{[ 16 ]}。これらは分子生物学および細胞生物学において重要なツールとなっています。これら2種の技術的な識別点としては、以下のようなものがあります。

• 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る。
• 遺伝子の数は似ているにもかかわらず、S. cerevisiae には約 250 個のイントロンしかないのに対し、S. pombeには約 5,000 個のイントロンがある。
• S. cerevisiaeは 16 本の染色体を持ち、S. pombeは 3 本の染色体を持つ。
• S. cerevisiaeは二倍体であることが多いのに対し、S. pombeは通常一倍体である。
• S. pombeはシェルテリン様テロメア複合体を持つが、 S. cerevisiae は持たない。^{[ 17 ]}
• S. cerevisiaeは細胞周期のG1期に長期間留まる（その結果、G1-S期への移行は厳密に制御される）のに対し、S. pombeは細胞周期のG2期に長期間留まる（その結果、G2-M期への移行は厳密に制御される）。
• 両種は、互いに共有していない高等真核生物と遺伝子を共有している。S . pombe は脊椎動物と同様のRNAi 機構遺伝子を持っているが、 S. cerevisiaeにはこれがない。S . cerevisiaeはS. pombeに比べてヘテロクロマチンが非常に単純化されている。^{[ 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にはない。
• S. cerevisiaeは125 bpの小さな点状セントロメアと、ほぼ同じサイズの配列定義複製起点を持つ。一方、S. pombeは哺乳類のセントロメアにより近い、大きく反復配列を持つセントロメア（40 ～ 100 kb）と、少なくとも1 kbの退化した複製起点を持つ。

分裂酵母（ S. pombe ）の遺伝子産物（タンパク質とRNA）は、あらゆる生命に共通する多くの細胞プロセスに関与している。分裂酵母GO slimは、分裂酵母のすべての遺伝子産物の生物学的役割をカテゴリー別に高レベルで概観する。^{[ 8 ]}

分裂酵母は、ゲノムが単純で完全に特徴づけられており、増殖速度が速い単細胞真菌です。古くから醸造、製パン、分子遺伝学に利用されてきました。分裂酵母（S. pombe）は、直径約3μmの棒状細胞で 、両端の伸長によってのみ成長します。有糸分裂後、細胞は隔壁（細胞板）の形成によって分裂し、細胞板が細胞の中央で分裂します。

細胞増殖の中心的な出来事は、S（合成）期に起こる染色体複製であり、それに続いて染色体分離と核分裂（有糸分裂）、そして細胞分裂（細胞質分裂）が起こり、これらを総称してM（有糸分裂）期と呼びます。G1期はM期とS期の間の期間であり、G2期もS期とM期の間の期間です。分裂酵母では、G2期が特に長く、新たなS（合成）期が始まるまで細胞質分裂（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制御します。通常は半数体状態で増殖します。飢餓状態になると、反対の接合型（PとM）の細胞が融合して二倍体の接合子を形成し、それがすぐに減数分裂に入り、4つの半数体胞子を生成します。条件が改善すると、これらの胞子が発芽して増殖する半数体細胞を生成します。^{[ 19 ]}

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  細胞周期の一般的な特徴。
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  分裂酵母特有の細胞周期。
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  明視野および暗視野光顕微鏡によるシゾサッカロミセスの分裂段階

細胞質分裂の一般的な特徴をここに示します。細胞分裂の場所は後期に入る前に決定されます。その後、後期紡錘体（図中の緑色の部分）が、分離した染色体があらかじめ定められた分裂面の両側に位置するように配置されます。

分裂酵母では、成長がG2/M期の進行を制御しているが、wee1変異は異常に小さいサイズで有糸分裂に入り、結果としてG2期が短くなる。G1期は長くなるため、G2/M期の制御が失われた場合、Start期（細胞周期の開始）の進行は成長に反応することを示唆している。さらに、栄養状態の悪い細胞は成長が遅く、そのためサイズが2倍になり分裂するのに時間がかかる。栄養レベルが低いと成長閾値もリセットされ、細胞はより小さなサイズで細胞周期を進む。ストレス条件[熱（40  ℃）または酸化剤過酸化水素]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確率の増加によって測定されるように老化する。 ^{[ 20 ]} 最後に、wee1変異分裂酵母細胞は野生型細胞よりも小さいが、細胞周期を通過するのにかかる時間は同じである。これは、小さな酵母細胞は成長が遅い、つまり単位時間あたりに付加される総質量が正常細胞よりも小さいためである。

分裂酵母では、空間勾配が細胞サイズと有糸分裂への移行を調整すると考えられている。^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} Pom1タンパク質キナーゼ（緑色）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、Wee1は、細胞中央の皮質ノード（青と赤の点）に存在する。a、小さな細胞では、Pom1勾配がほとんどの皮質ノード（青の点）に到達する。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、サイクリン依存性キナーゼ（CDK）活性を不活性化して有糸分裂への移行を防ぐ。b、長い細胞では、Pom1勾配は皮質ノード（赤の点）に到達しないため、Cdr2とCdr1はノードで活性のままである。 Cdr2とCdr1はWee1を阻害し、Cdk1のリン酸化を阻害することでCDKの活性化と有糸分裂への移行を阻止する。（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る。）

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接合型を切り替えます。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接合型を切り替えます。これは、複製方向が細胞型の変化に必要であることが示された最初のシステムでした。接合型切り替えシステムの研究により、部位特異的複製終結部位RTS1、部位特異的複製一時停止部位MPS1、および接合型遺伝子座mat1の姉妹染色分体の1つをマークする新しいタイプの染色体インプリントが発見され、特徴付けられました。さらに、サイレンシングされたドナー領域の研究により、ヘテロクロマチンの形成と維持の理解が大きく進展しました。^{[ 24 ]}

分裂菌（Schizosaccharomyces pombe）は、栄養が制限されている場合に交配を行うことができる任意有性微生物である。^{[ 25 ]}酸化ストレスを引き起こし、酸化DNA損傷につながる薬剤である過酸化水素にS. pombe を曝露すると、交配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ものとして、 S. pombe のDNA中のdU:dG型の単一塩基病変が減数分裂組換えを刺激するという発見がある。^{[ 27 ]} この組換えには、DNA骨格からウラシルを除去し、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。この発見に基づき、ウラシル塩基、ア塩基部位、または一本鎖ニックのいずれかの塩基除去修復がS. pombeにおける組換えの開始に十分であると提唱された。^{[ 27 ]} S. pombe を用いた他の実験では、DNA複製中間体、すなわち岡崎フラグメントの処理の不備が一本鎖ニックやギャップなどのDNA損傷を引き起こし、これら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ます。^{[ 29 ] [ 30 ]}この単細胞真核生物は非病原性で、実験室で簡単に培養および操作できます。^{[ 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持ち、ゲノムには3つの染色体しかありません。^{[ 33 ]}分裂酵母細胞の細胞分裂と細胞組織化に関与する遺伝子の多くは、ヒトのゲノムにも見られます。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 34 ]}細胞周期制御と分裂は、あらゆる細胞の成長と発達に不​​可欠です。分裂酵母の保存遺伝子は集中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ます。^{[ 35 ] [ 36 ]}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でもあります。分裂酵母は円筒形の単細胞真核生物で、中央分裂によって分裂および増殖します。^{[ 31 ]}これは顕微鏡を使用して簡単に観察できます。分裂酵母は世代時間が2～4時間と非常に短いため、実験室で観察および培養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の単純さ、哺乳類のゲノムとの類似性、操作の容易さ、および薬剤分析に使用できる能力が、分裂酵母が生物医学および細胞生物学の研究に多くの貢献をし、遺伝子分析のモデルシステムとなっている理由です。^{[ 32 ] [ 25 ] [ 30 ] [ 37 ] [ 38 ]}

• DNA損傷（自然発生的なもの）
• DNA修復
• 酵母
• PomBase

• PomBase — 分裂酵母ゲノムデータベース
• MicrobeWikiのSchizosaccharomyces pombeに関するページ