Usi del lievito nelle ricerche biologiche

I lieviti, e in particolare Saccharomyces cerevisiae, sono stati utilizzati in numerosissimi studi come sistemi per studiare la biologia di base, la fisiologia e la patologia degli eucarioti superiori, in particolare dell’uomo. L’utilizzo di S. cerevisiae come sistema modello dello studio della fisiopatologia umana pone diversi vantaggi:
1) S. cerevisiae possiede una struttura molto simile a quella delle cellule di eucarioti superiori; in particolare possiede tutte le strutture intracellulari presenti anche negli eucarioti superiori, fra cui i mitocondri;
2) Sebbene l’organizzazione sia simile a quella delle cellule degli eucarioti superiori, il lievito possiede alcuni vantaggi tipici degli organismi unicellulari. In primo luogo è in grado di crescere velocemente su terreni semplici, cosa che rende più veloce e più economico lo studio in questo sistema. In secondo luogo, il lievito esiste sia allo stato aploide che allo stato diploide, con l’evidente vantaggio di studiare l’effetto di mutazioni sia dominanti che recessive. Inoltre, mediante la costruzione di ceppi emizigoti, cioè diploidi distrutti in uno solo dei due alleli, trasformati con un allele mutato, è possibile determinare la natura della dominanza, in particolare se la dominanza è dovuta ad un’aploinsufficienza oppure ad una acquisizione di funzione negativa. In terzo luogo, sono stati sviluppati semplici tool di ingegneria genetica applicabili sul lievito, fra cui la trasformazione con plasmidi monocopia o multicopia ad alta efficienza, e metodi di distruzione genica. In particolare la distruzione genica è facilitata, in S. cerevisiae, dall’alta frequenza di ricombinazione omologa, che favorisce l’inserimento della cassetta di distruzione al corretto locus. In quarto luogo,possono essere applicati sul lievito semplici protocolli di biologia molecolare, quali l’estrazione di acidi nucleici e di proteine; Molto spesso i lieviti sono anche usati come biosensori;
3) Il lievito è il primo organismo eucariotico il cui genoma è stato completamente sequenziato e pubblicato. Il cosiddetto “progetto genoma” ha portato alla identificazione di circa 6300 geni in lievito, un numero circa cinque volte più piccolo rispetto alla stima dei geni umani. Il genoma si è dimostrato molto compatto, con poche sequenze intergeniche e la presenza di pochi introni. L’analisi comparativa delle sequenze amminoacidiche ricavate dal sequenziamento del genoma di S. cerevisiae ha suggerito che molte funzioni biologiche di base della cellula eucariotiche siano svolte da un set di proteine ortologhe; questi studi quindi indicano che l’analisi delle proteine di lievito possa fornire conoscenze utili alla comprensione degli eucarioti superiori. In particolare, è interessante notare che il 46% delle proteine umane note ha omologhi in lievito , fra cui principalmente proteine coinvolte nei meccanismi di base della vita cellulare, quali replicazione, ricombinazione e riparazione del DNA, trascrizione, traduzione, e enzimi del metabolismo basale, del traffico tra i compartimenti cellulari e della biogenesi mitocondriale. La conoscenza completa del genoma, insieme all’efficacia dei sistemi di ingegneria genetica, ha permesso di portate a termine efficacemente l’analisi su larga scala del genoma e del proteoma. Questo ha reso possibile a un consorzio internazionale la costruzione di una collezione di 5943 ceppi deletanti di lievito, in ciascuno dei quali un gene, nel contesto aploide o diploide, è stato distrutto.