קביעת יעילות ההזדווגות של הפלואידים ב-Saccharomyces cerevisiae
Summary
בעבודה זו מתוארת שיטה חזקה לכימות יעילות ההזדווגות בשמרים Saccharomyces cerevisiae . שיטה זו שימושית במיוחד לכימות מחסומים קדם-זיגוטיים במחקרי התמיינות.
Abstract
Saccharomyces cerevisiae הוא אורגניזם מודל נפוץ בגנטיקה, אבולוציה וביולוגיה מולקולרית. בשנים האחרונות, הוא הפך גם אורגניזם מודל פופולרי ללמוד בעיות הקשורות speciation. מחזור החיים של שמרים כולל הן שלבי רבייה א-מיניים והן שלבי רבייה מינית. קלות ביצוע ניסויי האבולוציה וזמן הדור הקצר של האורגניזם מאפשרים לחקור את האבולוציה של מחסומי רבייה. היעילות שבה שני סוגי ההזדווגות (a ו-α) מזדווגים כדי ליצור את הדיפלואיד a/α מכונה יעילות ההזדווגות. כל ירידה ביעילות ההזדווגות בין הפלואידים מצביעה על מחסום קדם-זיגוטי. לכן, כדי לכמת את מידת בידוד הרבייה בין שני הפלואידים, נדרשת שיטה חזקה לכימות יעילות ההזדווגות. לשם כך מוצג כאן פרוטוקול פשוט וניתן לשחזור. הפרוטוקול כולל ארבעה שלבים עיקריים, הכוללים תיקון הפלואידים על צלחת YPD, ערבוב הפלואידים במספרים שווים, דילול וציפוי למושבות בודדות, ולבסוף חישוב היעילות בהתבסס על מספר המושבות על צלחת נשירה. סמנים אוקסוטרופיים משמשים כדי לעשות בבירור את ההבחנה בין הפלואידים לדיפלואידים.
Introduction
שמרי אפייה (Saccharomyces cerevisiae), הנקראים בדרך כלל שמרים ניצנים, הם אאוקריוט חד-תאי. יש לו שני סוגי הזדווגות, A ו- α, והוא מציג מחזורי רבייה א-מיניים ומיניים. סוגי ההזדווגות a ו-α הם הפלואידים ויכולים להתחלק באופן מיטוטי בהיעדר סוג ההזדווגות האחר בסביבה, המייצג את המחזור הא-מיני של שמרים. כאשר שני סוגי ההזדווגות נמצאים בסמיכות, הם מפסיקים להתחלק באופן מיטוטי ומתמזגים ליצירת תא דיפלואידי. השמרים הדיפלואידים יכולים להתחלק באופן מיטוטי כאשר קיימים חומרים מזינים או לעבור מיוזה בתנאים של רעב חנקן בנוכחות מקור פחמן דל שאינו ניתן לתסיסה, כגון אצטט1. התוצאה היא היווצרות נבגים, אשר נשארים רדומים עד שיש תנאי צמיחה נוחים. מחזור החיים מושלם כאשר הנבגים האלה נובטים, ושני סוגי ההפלואידים משתחררים חזרה לבריכה הפלואידית 2,3 (איור 1).
ההזדווגות של תאי שמרים כוללת מספר שלבים, כגון agglutination, היווצרות היטל הזדווגות או “shmoo”, ואחריו תאים והיתוך גרעיני 4,5. שני סוגי ההזדווגות a ו-α מייצרים גורם A ו-α-factor, בהתאמה, כדי ליזום הזדווגות. גורמים אלה הם פרומונים פוליפפטידים הנקשרים לקולטנים (Ste2 ו- Ste3) הנמצאים על פני התא של סוג ההזדווגות הנגדי5. קשירת הפרומונים לקולטנים מתחילה את מסלול תגובת הפרומון, מסלול העברת האותקינאז המופעל על ידי מיטוגן (MAPK) 6,7,8. התוצאה היא עצירה של מחזור התא בשלב G1, מה שמוביל לשלבנייח פעיל מטבולית 9. התאים מפסיקים להתחלק באופן מיטוטי, והחלבונים הדרושים להזדווגות מסונתזים. מכיוון שהתאים ההפלואידים אינם יכולים לנוע זה לעבר זה, השלכת הזדווגות או “שמו” מכוונת כלפי בן הזוג המזדווג. כאשר התאים באים במגע, דופן התא מתפרקת, והתוכן הציטופלזמי מתמזג, וכתוצאה מכך מזדווג ליצירת תא דיפלואידי10,11. יעילות ההזדווגות בין הפלואידים שימשה כמדד לדגימה בזנים שפותחו במעבדה, כמו גם בין מינים קיימים12.
בהיותם אורגניזם איקריוטי פשוט, שמרים הם מודל הבחירה למספר רב של שאלות מחקר הקשורות לאורגניזמים איקריוטים מורכבים. שאלה אחת כזו קשורה לספקולציה ולאבולוציה של מחסומי רבייה13,14. עבור אורגניזמים המתרבים מינית, מין מוגדר על ידי מושג המין הביולוגי (BSC) המוצע על ידי ארנסט מאייר15. על פי תפיסה זו, שני פרטים באוכלוסייה אמורים להשתייך לשני מינים שונים אם הם אינם יכולים להתרבות זה עם זה והם מבודדים מבחינה רבייה. פירוק מחזור הרבייה המינית (הכולל מיזוג של גמטות ליצירת זיגוטה, התפתחות הזיגוטה לצאצא והשגת בגרות מינית בצאצאים) מוביל לבידוד הרבייה. כפי שניתן לראות באיור 1, מחזור החיים של S. cerevisiae דומה למחזור הרבייה המינית: א) האיחוי של שני סוגי ההזדווגות a ו-α דומה לאיחוי של גמטות באורגניזמים המתרבים מינית; ב) יכולתו של הדיפלואיד לעבור חלוקה מיטוטית שקולה להתפתחות הזיגוטה לצאצאים; ג) הדיפלואיד העובר נבג דומה לתהליך של גמטוגנזה14.
בידוד טרום זיגוטי מתרחש כאשר נצפתה הזדווגות אסורטיבית. בהינתן הזדמנות שווה להזדווג עם שני טיפוסים שונים גנטית, סוג α מעדיף להזדווג עם אחד על פני השני או להיפך14. במקרה של ניסויי אבולוציה שבהם הפלואידים התפתחו בסביבות שונות, ניתן לקבוע את נוכחותו של מחסום טרום הזדווגות על ידי ביצוע בדיקת הזדווגות. ירידה ביעילות ההזדווגות בהשוואה לאב הקדמון מצביעה על התפתחות מחסום טרום הזדווגות. בידוד פוסט-זיגוטי עלול להיווצר עקב חוסר היכולת של הדיפלואיד לעבור חלוקה מיטוטית יעילה ו/או נבגים ליצירת נבגים הפלואידים14. אלה ניתנים לכימות על ידי מדידת קצב הצמיחה של הדיפלואידים וחישוב יעילות הנבג, בהתאמה. לפיכך, כדי לחקור את האבולוציה של מחסומי הרבייה, נדרשות שיטות חזקות לכימות (א) יעילות ההזדווגות, (ב) הצמיחה המיטוטית של הדיפלואיד, ו-(ג) יעילות הנבג של הדיפלואיד. בעבודה זו מדווחת שיטה חזקה לכימות יעילות ההזדווגות של זני שמרים.
בניסויי מעבדה, אחת הדרכים שבהן ניתן לזהות את התרחשות ההזדווגות היא באמצעות סמנים אוקסוטרופיים המשלימים את הדרישות התזונתיות. כאשר שני סוגי ההזדווגות הם אוקסוטרופיים עבור שתי חומצות אמינו שונות, רק התא הדיפלואידי שנוצר על ידי איחוי של שני סוגי ההזדווגות יכול לגדול על מדיום חסר בשתי חומצות האמינו. לפיכך, סמנים auxotrophic שימושיים לזיהוי הזדווגות הן איכותית והן כמותית. בדיקה איכותנית תספיק כדי לזהות את סוג ההזדווגות של זן לאחר מיוזה16. בדיקות כמותיות חיוניות כאשר מעוניינים לזהות ירידה בהזדווגות תוך לימוד הגנים המעורבים במסלול ההזדווגות17,18. בנוסף, כאשר שמרים נמצאים בשימוש הולך וגובר במחקרי התמיינות, יש צורך בבדיקת הזדווגות נוחה וניתנת לשחזור, שכן כימות יעילות ההזדווגות הוא מדד למחסום הקדם-זיגוטי.
יעילות ההזדווגות בין שני סוגי השמרים כומתה בעבר16,19,20. רוב השיטות בשימוש בעבר דומות בעיצוב שלהם עם כמה וריאציות16,21,22,23,24,25. חלקם משתמשים בתרביות בשלב היומן המוקדם, בעוד שאחרים משתמשים בתרביות בשלב הביניים של זנים הפלואידים. ישנן וריאציות ביחסים שבהם שני סוגי ההזדווגות מעורבים. כמעט כל הפרוטוקולים משתמשים בקרום ניטרוצלולוז. תרחיפים של שני סוגי ההזדווגות שנלקחו מתרבויות שגודלו בעבר מעורבבים ומסוננים על קרום ניטרוצלולוז המונח על צלחת YPD. באחת הווריאציות של הפרוטוקול, המתלה הפלואידי מודבק ישירות על לוחית YPD21. בניסויים העוסקים בגנים המעורבים בייצור הפרומונים של שני סוגי ההזדווגות, מוסיפים את הפרומונים באופן חיצוני תוך ביצוע ההשעיות של שני סוגי ההזדווגות24.
לאחר הדגירה במשך מספר שעות (בדרך כלל סביב 5 שעות) לאחר ערבוב ההפלואידים, התאים נשטפים מהממברנה, מדוללים ומצופים על מדיה סלקטיבית. באחת השיטות המוקדמות יותר שדווחו בשנת 1973, היעילות של היווצרות זיגוטה או הזדווגות חושבה על ידי ספירת מספר התאים הניצנים, תאים ללא ניצנים וזוגות הזדווגות תחת מיקרוסקופ באמצעות המוציטומטר26. עם זאת, רוב השיטות שדווחו מאוחר יותר משתמשות בסמנים אוקסוטרופיים כדי להבחין בין הפלואידים לדיפלואידים. יעילות ההזדווגות מחושבת כאחוז התאים הדיפלואידים ביחס למספר התאים הדיפלואידים וההפלואידים במאגר התאי 16,21,23.
עם זאת, למרות מספר דיווחים המשתמשים בשמרים כאורגניזם מודל לחקר התמיינות, עד כה לא דווח בספרות פרוטוקול סטנדרטי לחישוב יעילות ההזדווגות. תאים בשלב היומן עשויים שלא להיות אידיאליים לכימות יעילות ההזדווגות. במהלך ההזדווגות, מחזור התאים של שני הפלואידים נעצר, ולכן התאים במהלך ההזדווגות אינם מתחלקים9. מכיוון שמחזור התא ידוע גם ככזה שנעצר באופן דומה בתאים בשלב27 הנייח, שימוש בתאים כאלה יכול להפוך את הפרוטוקול ליותר ניתן לשחזור. ניתן לערבב תאי פאזה נייחים ולפרוס אותם על לוחות YPD (כלומר, סביבה עשירה מבחינה תזונתית) לצורך הזדווגות. ההליכים הקונבנציונליים דורשים גם קרום ניטרוצלולוז ושטיפת התאים, מה שהופך את התהליך למסורבל ועלול להתמודד עם טעויות. בנוסף, הפרוטוקולים ששימשו עד כה מכמתים את יעילות ההזדווגות במונחים של הפלואיד אחד. עם זאת, בעת מדידת בידוד הרבייה, יעילות ההזדווגות מכומתת עבור שילוב מסוים של הפלואידים ולא עבור הפלואיד יחיד.
כדי להתמודד עם בעיות אלה, אנו מדווחים כאן על שיטה חזקה לכימות יעילות ההזדווגות בשמרים שהיא מאוד ניתנת לשחזור וקלה לשימוש. יתר על כן, שיטה זו וזני השמרים המשמשים כאן יכולים לשמש גם במחקרים הבוחנים את השפעת זרימת הגנים על האבולוציה של מחסומי הזדווגות.
במחקר זה נעשה שימוש בשני זנים שונים של S. cerevisiae. אחד הזנים נגזר מרקע SK1; זה שונה במעבדה שלנו על ידי הוספת הסמנים auxotrophic ליד מוקד MAT. הגנוטיפים המתקבלים של הפלואידים מוצגים בטבלה 128,29,30. בזן SK1, בהפלואיד הוכנס הגן TRP1 ליד מוקד ה-MAT, ובהפלואיד α הוכנס הגן LEU2 ליד מוקד ה-MAT. בזן ה-Scam הוכנסו הגנים TRP1 ו-URA3 להפלואידים a ו-α, בהתאמה. מיקום ההחדרה היה באזור ARS של כרומוזום III (Chr III: 197378..197609). עבור הפרוטוקול המדווח כאן, סמנים אוקסוטרופיים בכל מקום בגנום יספיקו. עם זאת, הימצאות הסמנים האוקסוטרופיים ליד מוקד MAT פירושה כי זנים אלה יכולים לשמש גם למחקרים הבוחנים את ההשפעה של זרימת גנים על speciation31,32. הסמנים נוספו קרוב למוקד MAT כדי למנוע ערבוב מחדש של הסמנים עקב רקומבינציה. לפיכך, פרוטוקול זה יכול לשמש לכימות יעילות ההזדווגות במחקרים הכוללים ספקולציה וגם כדי לזהות את השינוי ביעילות ההזדווגות כאשר חוקרים את החלבונים המעורבים במסלול ההזדווגות.
Protocol
Representative Results
Discussion
כימות יעילות ההזדווגות ב- S. cerevisiae חיוני לביצוע מחקרים הקשורים לגנים המעורבים במסלולי הזדווגות או לחקר השפעת הסביבה החיצונית על התנהגות ההזדווגות. בשני העשורים האחרונים, S. cerevisiae הפך גם למודל פופולרי כדי לענות על שאלות הקשורות speciation 14,36,37,38.<sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי מענק DBT/Wellcome Trust (India Alliance) (IA/S/19/2/504632) ל- S.S. P.N. הוא עמית מחקר הנתמך על ידי מענק DBT/Wellcome Trust (India Alliance) (IA/S/19/2/504632). A.M. נתמך על ידי המועצה למחקר מדעי ותעשייתי (CSIR), ממשלת הודו, כעמית מחקר בכיר (09/087(0873)/2017-EMR-I). המחברים מודים לפייק ג’איאדווה בהאט על הדיונים.
Materials
| Adenine | Sigma Life Science | A8626 | |
| Agar Powder regular grade for bacteriology | SRL | 19661 (0140186) | |
| Ammonium Sulphate, Hi-AR | HiMedia | GRM1273 | |
| D-(+)-glucose | Sigma Life Science | G8270 | |
| Glass Petri plates | HiMedia | PW008 | 90 mm x 15 mm dimension |
| L-Arginine | Sigma Life Science | A8094 | |
| L-Aspartic acid | Sigma Life Science | A7219 | |
| L-Histidine monochloride monohydrate | Sigma Life Science | H5659 | |
| L-Isoleucine | Sigma Aldrich | I2752 | |
| L-Leucine | Sigma Life Science | L8912 | |
| L-Lysine | Aldrich | 62840 | |
| L-Methionine | Sigma Life Science | M5308 | |
| L-Phenylalanine | Sigma Life Science | P5482 | |
| L-Threonine | Sigma Aldrich | T8625 | |
| L-Tyrosine | Sigma Life Science | T8566 | |
| L-Valine | Sigma Life Science | V0513 | |
| Mating efficiency grid | 1 cm x 1.5 cm rectangular grid drawn on the Petri plate | ||
| Microcentrifuge tubes | Tarsons | 500010 | |
| Peptone | HiMedia | RM001 | |
| Uracil | Sigma Life Science | U0750 | |
| Yeast Extract Powder | HiMedia | RM027 | |
| Yeast Nitrogen Base w/o Amino acids and Ammonium Sulphate | BD Difco | 233520 |
References
- Neiman, A. M. Sporulation in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Genetics. 189 (3), 737-765 (2011).
- Duina, A. A., Miller, M. E., Keeney, J. B. Budding yeast for budding geneticists: A primer on the Saccharomyces cerevisiae model system. Genetics. 197 (1), 33-48 (2014).
- Herskowitz, I. Life cycle of the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. Microbiological Reviews. 52 (4), 536-553 (1988).
- Erdman, S., Lin, L., Malczynski, M., Snyder, M. Pheromone-regulated genes required for yeast mating differentiation. Journal of Cell Biology. 140 (3), 461-483 (1998).
- Merlini, L., Dudin, O., Martin, S. G. Mate and fuse: How yeast cells do it. Open Biology. 3 (3), 130008 (2013).
- Gustin, M. C., Albertyn, J., Alexander, M., Davenport, K. MAP kinase pathways in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 62 (4), 1264-1300 (1998).
- Bardwell, L. A walk-through of the yeast mating pheromone response pathway. Peptides. 26 (2), 339-350 (2005).
- Reid, B. J., Hartwell, L. H. Regulation of mating in the cell cycle of Saccharomyces cerevisiae. Journal of Cell Biology. 75, 355-365 (1977).
- Williams, T. C., Peng, B., Vickers, C. E., Nielsen, L. K. The Saccharomyces cerevisiae pheromone-response is a metabolically active stationary phase for bio-production. Metabolic Engineering Communications. 3, 142-152 (2016).
- Bagnat, M., Simons, K. Cell surface polarization during yeast mating. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (22), 14183-14188 (2002).
- Trueheart, J., Boeke, J. D., Fink, G. R. Two genes required for cell fusion during yeast conjugation: Evidence for a pheromone-induced surface protein. Molecular and Cellular Biology. 7 (7), 2316-2328 (1987).
- Sniegowski, P. D., Dombrowski, P. G., Fingerman, E. Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces paradoxus coexist in a natural woodland site in North America and display different levels of reproductive isolation from European conspecifics. FEMS Yeast Research. 1 (4), 299-306 (2002).
- Replansky, T., Koufopanou, V., Greig, D., Bell, G. Saccharomyces sensu stricto as a model system for evolution and ecology. Trends in Ecology and Evolution. 23 (9), 494-501 (2008).
- Greig, D. Reproductive isolation in Saccharomyces. Heredity. 102 (1), 39-44 (2009).
- Mayr, E. . Systematics and the Origin of Species, from the Viewpoint of a Zoologist. , (1999).
- Sprague, G. F. Assay of yeast mating reaction. Methods in Enzymology. 194, 77-93 (1991).
- McCaffrey, G., Clay, F. J., Kelsay, K., Sprague, G. F. Identification and regulation of a gene required for cell fusion during mating of the yeast Saccharomyces cerevisiae. Molecular and Cellular Biology. 7 (8), 2680-2690 (1987).
- Valtz, N., Peter, M., Herskowitz, I. FAR1 is required for oriented polarization of yeast cells in response to mating pheromones. Journal of Cell Biology. 131 (4), 863-873 (1995).
- Maclean, C. J., Greig, D. Prezygotic reproductive isolation between Saccharomyces cerevisiae and Saccharomyces paradoxus. BMC Evolutionary Biology. 8, 1 (2008).
- Murphy, H. A., Kuehne, H. A., Francis, C. A., Sniegowski, P. D. Mate choice assays and mating propensity differences in natural yeast populations. Biology Letters. 2 (4), 553-556 (2006).
- Leu, J. Y., Murray, A. W. Experimental evolution of mating discrimination in budding yeast. Current Biology. 16 (3), 280-286 (2006).
- Kim, J., Hirsch, J. P. A nucleolar protein that affects mating efficiency in Saccharomyces cerevisiae by altering the morphological response to pheromone. Genetics. 149 (2), 795-805 (1998).
- Jin, M., et al. Yeast dynamically modify their environment to achieve better mating efficiency. Science Signaling. 4 (186), (2011).
- Rogers, D. W., Denton, J. A., McConnell, E., Greig, D. Experimental evolution of species recognition. Current Biology. 25 (13), 1753-1758 (2015).
- McClure, A. W., Jacobs, K. C., Zyla, T. R., Lew, D. J. Mating in wild yeast: Delayed interest in sex after spore germination. Molecular Biology of the Cell. 29 (26), 3119-3127 (2018).
- Sena, E. P., Radin, D. N., Fogel, S. Synchronous mating in yeast. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 70 (5), 1373-1377 (1973).
- Werner-Washburne, M., Braun, E., Johnston, G. C., Singer, R. A. Stationary phase in the yeast Saccharomyces cerevisiae. Microbiology Reviews. 57 (2), 383-401 (1993).
- Johnston, S. A., Hopper, J. E. Isolation of the yeast regulatory gene GAL4 and analysis of its dosage effects on the galactose/melibiose regulon. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 79 (22), 6971-6975 (1982).
- Mahilkar, A. . Study of metabolic specialization leading to speciation, using yeast as a model system. , (2021).
- Blank, T. E., Woods, M. P., Lebo, C. M., Xin, P., Hopper, J. E. Novel Gal3 proteins showing altered Gal80p binding cause constitutive transcription of Gal4p-activated genes in Saccharomyces cerevisiae. Molecular and Cellular Biology. 17 (5), 2566-2575 (1997).
- Rice, W. R., Hostert, E. E. Laboratory experiments on speciation: What have we learned in 40 years. Evolution. 47 (6), 1637-1653 (1993).
- White, N. J., Snook, R. R., Eyres, I. The past and future of experimental speciation. Trends in Ecology and Evolution. 35 (1), 10-21 (2020).
- Milo, R., Jorgensen, P., Moran, U., Weber, G., Springer, M. BioNumbers–The database of key numbers in molecular and cell biology. Nucleic Acids Research. 38, 750-753 (2010).
- Domitrovic, T., et al. Structural and functional study of YER067W, a new protein involved in yeast metabolism control and drug resistance. PLoS One. 5 (6), 11163 (2010).
- Lindegren, C. C., Spiegelman, S., Lindegren, G. Mendelian inheritance of adaptive enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 30 (11), 346-352 (1944).
- Dettman, J. R., Sirjusingh, C., Kohn, L. M., Anderson, J. B. Incipient speciation by divergent adaptation and antagonistic epistasis in yeast. Nature. 447 (7144), 585-588 (2007).
- Jhuang, H. Y., Lee, H. Y., Leu, J. Y. Mitochondrial-nuclear co-evolution leads to hybrid incompatibility through pentatricopeptide repeat proteins. EMBO Reports. 18 (1), 87-101 (2017).
- Lee, H. Y., et al. Incompatibility of nuclear and mitochondrial genomes causes hybrid sterility between two yeast species. Cell. 135 (6), 1065-1073 (2008).
- Pronk, J. T. Auxotrophic yeast strains in fundamental and applied research. Applied and Environmental Microbiology. 68 (5), 2095-2100 (2002).
- Madhani, H. D. . From a to α: Yeast as a Model for Cellular Differentiation. , (2007).
- Huxley, C., Green, E. D., Dunham, I. Rapid assessment of S. cerevisiae mating type by PCR. Trends in Genetics. 6 (8), 236 (1990).
- Rang, C., Galen, J. E., Kaper, J. B., Chao, L. Fitness cost of the green fluorescent protein in gastrointestinal bacteria. Canadian Journal of Microbiology. 49 (9), 531-537 (2003).
- Tusso, S., Nieuwenhuis, B. P. S., Weissensteiner, B., Immler, S., Wolf, J. B. W. Experimental evolution of adaptive divergence under varying degrees of gene flow. Nature Ecology and Evolution. 5 (3), 338-349 (2021).
