Auch wenn Saccharomyces cerevisiae ein einfacher einzelliger Eurkaryot ist, ist die Hefe ein wertvoller Modellorganismus, da zelluläre Prozesse wie der Zellzyklus ähnlich wie in anderen Eukaryoten, wie zum Beispiel uns Menschen, sind. In dem Hefezellzyklus sind Zellwachstum und Zellteilung eng miteinander verbunden und abhängig von Faktoren wie zum Beispiel der Nährstoffkonzentration. Abhängig von den Umweltbedingungen können Hefezellen sich entweder durch sexuelle oder asexuelle Fortpflanzung vermehren, um neue Zellen zu produzieren. Dieses Video gibt einen Überblick über den Hefezellzyklus und die verschiedenen Arten der Reproduktion in S. cerevisiae.

Erst wiederholen wir kurz was wir über den Zellzyklus wissen. Es gibt zwei Hauptphasen: die Interphase, welche aus den G1, S und G2 Subphasen besteht, und die M Phase, order Mitose. Wie ihr wisst, ist die Mitose ein wichtiger Teil der Zellteilung.

Hefen sind besonders da sie sich in der asexuellen Reproduktion asymmetrisch mit einem Mechanismus der Knospung heißt, teilen.

In der G1 Phase, verpflichten sich die Zellen am „START“ Punkt in den Zellzyklus einzutreten. Knospen erscheinen erstmals in der S-Phase und werden im restlichen Zellzyklus einschließlich der Mitose größer. Wenn die Zytokinese abgeschlossen ist, findet eine ungleiche Teilung des Zytoplasmas statt, welche in eine kleinere Tochterzelle resultiert. Unglücklicherweise für die Mutterzelle bleiben sichtbare Narben an der Stelle der Zellteilung zurück. Glücklicherweise können Wissenschaftler den Zellwandbestandteil Chitin fluoreszent markieren, um dadurch den Zellteilrhytmus der Hefe zu verstehen und zu schätzen wie viele Male die Zelle sich schon geteilt hat.

Eine neue Zelle wächst, wenn Nährstoffe vorhanden sind, in der G1 Phase des Zellzyklus, bis einige Bedingungen zutreffen und ein Zellzykluskontrollpunkt, oder der Restriktionspunkt, der „START“ heißt, erreicht wird. Wenn die Zellen den „START“ Punkt überschritten haben, haben sie sich für den Rest des Zellzyklus verpflichtet und werden sich teilen. Bevor jedoch dieser Kontrollpunkt erreicht ist, können sich Hefe auch durch Meiose oder und die danach folgende sexuelle Vermehrung fortpflanzen.

Wieso sollte sich ein einzelliger Eukaryot wie die Hefe durch sexuelle Reproduktion fortpflanzen?

Wie ihr vielleicht schon wisst, ist die sexuelle Reproduktion ein Mittel um Variationen in eine Population von Organismen einzuführen, und damit das Überleben begünstigen.

Die Art der Hefe, die sich paart, ist haploid und enthält eine Kopie des Genoms, also wie ein Ei oder eine Spermazelle. Es gibt zwei haploide Paarungstypen: Mat a und Mat alpha. Diese Zellen können sich genauso wie die diploide Hefe durch asexuelle Reproduktion vermehren.

Beide dieser Paarungstypen scheiden Pheromone aus. Mat a scheidet den „a Faktor“ aus, und Mat alpha den „Alpha Faktor“. Die Pheromone werden durch den jeweilig anderen Paarungstyp erkannt, wodurch die haploide Hefe anfängt ihre Form zu verlängern und in die Fortpflanzungsphase eintritt.

Während dieser Phase wachsen zwei haploïde Zellen aufeinander zu, bis ein Zell-Zell Kontakt entsteht. Die darauf folgenden Zell-Zell und Zellkern Fusionen resultieren in die Erzeugung einer Zygote. Die neugeborene Zygote tritt dann in den neuen mitotischen Zyklus ein, durch welchen dann die erste diploide Knospung entsteht. Zygoten sehen wie hantelförmige Zellen aus, mit oder ohne Knospung

Vielleicht fragt ihr euch wie haploide Zellen eigentlich entstehen. Die Antwort ist einfach: durch Meiose. Wie ihr sicherlich schon wisst, resultiert die Meiose nach der ursprünglichen Chromosomenduplikation in Tochterzellen mit der Hälfte der Chromosomenzahl der Elternzellen. Wenn Hefen in rauen Umweltbedingungen sind, tritt eine Art der Meiose, die Sporulation genannt wird, auf.

Während der Sporulation werden haploide Sporen für jeden Paarungstyp produziert, die in einer festen Membranstruktur, welche auch Ascus genannt wird- hier in den gelben Kreisen zu sehen – festgehalten wird. Wenn sich die Umweltbedingungen verbessern, werden die Sporen aus dem Ascus freigesetzt. Von hier aus entwickeln sie sich in Mat a und Mat alpha haploide Zellen, welche sich wiederum durch die sexuelle Reproduktion fortpflanzen können.

Nun das wir mehr über die Hefefortpflanzung wissen, schauen wir uns an wie dieser Prozess für andere Untersuchungen verwendet werden kann.

Das Verstehen der Hefereproduktion ist wichtig für genetische Experimente, zum Beispiel um Hefestämme mit mehreren Mutationen herzustellen. In diesem Video könnt ihr sehen wie zwei verschiedene haploide Stämme (Mat a und Mat alpha), auf einer Agarplatte vermischt werden, um die Paarung und die Bildung einer diploiden Zelle zu ermöglichen. Sie werden dann auf eine Replikaplatte mit Selektionsmedium ausplattiert, welches nur diploides Wachstum ermöglicht. Die diploiden Zellen können dann durch das Wachstum in nährstoffarmen Medium sporuliert werden. Die daraus resultierenden haploiden Sporen werden mit einem Mikromanipulator seziert und auf eine Agarplatte in einer Matrix ausplattiert. Die haploiden Genotypen können durch PCR oder durch das Kultivieren auf Selektionsmedium bestätigt werden.

Studien des Alterns können durch die Untersuchung der replikativen Lebenspanne von Hefezellen ausgeführt werden. Die replikative Lebensspanne ist die Anzahl der Knospungen, die eine Hefezelle in ihrer Lebenszeit durchläuft. Eine einzelne Hefezelle kann bis zu 30 Knospungen durchlaufen. Hier kann man sehen wie ein Mikromanipulator benutzt wird, um einer Tochterzelle von der Mutterzelle zu trennen, um die Lebenspanne der Hefe mit der Zeit zu analysieren. Die Rohdaten, die mit replikativen Lebenszyklusexperimenten gewonnen werden, sind eine Tabelle mit Nummern, die sich auf die Tochterzellen beziehen, welche von Mutterzellen bei einem bestimmten Alter produziert worden sind.

Die Entwicklung der Zellmorphologie als Funktion von zellulären Prozessen, wie zum Beispiel der Proteinkonzentration, kann auch in der Hefe untersucht werden. Hier sieht man die Vorbereitung der Zellen für die Mikroskopie um phänotypspezifische Defekte zu visualisieren. In diesem zeitraffer Video bilden sich mehrere Knospen, was bedeutet dass sich die Zellen nicht voneinander trennen können, was wiederum heißt, dass es einen Defekt in der Zellteilung gibt.

Das war die Einführung in die Fortpflanzung von Saccharomyces cerevisiae. In diesem Video haben wir über den Hefezellzyklus gesprochen und sind auf den sexuellen und asexuellen Lebenszyklus dieses Organismus eingegangen. Danke für eure Aufmerksamkeit, und vergesst nicht eure Partner!