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模式生物之 酵母菌 酵母菌的历史 4000年前 古埃及人已经开始利用酵母酿酒与制作面包了 中国的殷商时期 约3500年前 古人利用酵母酿造白酒 而酵母馒头 饼等开始于汉朝时期 1 1680年 荷兰科学家列文虎克 AntonvanLeeuwenhoek 首次利用显微镜观察到酵母 但当时并没有将其当作一个生物体看待 2 1857年 法国科学家路易 巴斯德首次发现酿造酒精来之酵母体的发酵作用 而并非简单的化学催化 3 4 巴斯德曾经将空气通进酿酒液中 发现酵母的细胞量增加了 但是酒精的生成量减少 后来人们将次现象称为 巴斯德效应 来源请求 酵母的工业化生产与商业化依赖于干燥与压滤技术的发展 1846年 欧洲实现酵母的工业化生产 1 美国酵母的工业与商业化是随着1876年费城百年博览会的举办展开的 中国酵母的现代化生产开始于20世纪80年代中期 1 生物学定义 酵母菌是一些单细胞真菌 并非系统演化分类的单元 酵母菌是人类文明史中被应用得最早的微生物 可在缺氧环境中生存 目前已知有1000多种酵母 根据酵母菌产生孢子 子囊孢子和担孢子 的能力 可将酵母分成三类 形成孢子的株系属于子囊菌和担子菌 不形成孢子但主要通过出芽生殖来繁殖的称为不完全真菌 或者叫 假酵母 类酵母 目前已知大部分酵母被分类到子囊菌门 酵母菌在自然界分布广泛 主要生长在偏酸性的潮湿的含糖环境中 而在酿酒中 它也十分重要 而且猫吃了还会胀大 非常的危险 细胞形态与结构 酵母细胞明显比大多数细菌大 细胞大小约为2 5 5 30 m 短轴 长轴 5 酵母多数为单细胞生物 常呈卵圆形或者圆柱形 实际上 每种酵母确实具有自己特有的形态模式 但会随着菌龄与环境不断变化 一般平板培养基上的酵母菌落呈白色粒状凸起 常带有酒香味 酵母属于真核微生物 除没有鞭毛外 6 一般都具有细胞壁 细胞膜 线粒体 核糖体 液泡等细胞器 细胞壁 厚度为0 1 0 3 m 不如细菌的坚韧 主要成分为葡聚糖 甘露聚糖等 5 酵母细胞壁呈 三明治 形 内层葡聚糖 外层甘露聚糖以及中间蛋白层 7 有研究表明 葡聚糖是维持细胞壁内壁强度最主要的物质 细胞膜 细胞膜为磷脂双分子层 与其他生物一样都是双膜中间镶嵌着蛋白质 此外 酵母细胞膜中还含有甾醇 其中以麦角甾醇最为常见 5 细胞核 酵母具有成形的细胞核 不同种的酵母染色体数不同 且细胞核的形态会随着细胞分裂周期而变化 细胞核是酵母菌遗传信息的主要储存与转录场所 其DNA量占总细胞DNA的绝大部分 此外还有两个 细胞器 含有DNA 线粒体与 2 m质粒 线粒体 线粒体为酵母细胞能量的主要提供场所 酵母线粒体要比高等动物的小 其大小为0 3 1 m 0 5 3 m 一般在厌氧或高糖 葡萄糖5 10 条件下 酵母菌的线粒体前体发育较差 不具有氧化磷酸化的能力 5 核糖体 与真核生物一样 酵母菌核糖体为80S型的 液泡 大多数酵母菌都具有液泡 其主要用于储藏一些营养物质或者水解酶前体物 另外还有调剂渗透压的作用 营养与生长 酵母菌广泛生活于潮湿且富含糖分的物体表层 例如果皮表层 土壤 植物表面 植物分泌物 如仙人掌的汁 甚至空气中也有分布 此外 有研究发现酵母还能寄生于人类身上与一些昆虫肠道内 8 酵母菌属于化能异养微生物 能够直接吸收利用多种单糖分子 比如葡萄糖 果糖等 一些酵母菌还能代谢利用五碳糖 9 乙醇或者有机酸 一部分双糖 例如蔗糖 能在胞外酶作用下水解为单糖被吸收利用 10 酵母菌不能直接利用淀粉等多糖类物质 因此 在啤酒酿制过程中 原料麦必须经过糖化才能被酿酒酵母进一步发酵利用 10 许多酵母营专性或兼性好氧的生活方式 目前尚未发现专性厌氧的酵母 在缺乏氧气时 发酵型的酵母会进行缺氧呼吸作用 当中通过糖酵解作用将葡萄糖转化成丙酮酸 其后丙酮酸经脱碳作用脱去碳原子 形成乙醛 同时释出CO2 乙醛再被于糖酵解作用产生的NADH2还原成乙醇并产生能量 ATP 在酿酒过程中 乙醇被保留下来 在烤面包或蒸馒头的过程中 CO2将面团发起 而酒精则挥发 在有氧条件下 酵母将葡萄糖经有氧呼吸 糖酵解 三羧酸循环 代谢生成CO2和H2O 有氧条件下 酵母菌往往能够迅速出芽繁殖 酵母菌的最适生长温度各异 在自然PH或弱酸环境中生长生活力最高 毕赤酵母能在低PH PH 3 条件下生长 酵母菌的生殖方式 酵母菌的生殖方式分无性繁殖和有性繁殖两大类 无性繁殖包括 芽殖 裂殖 芽裂 有性繁殖方式 子囊孢子 出芽繁殖这是酵母菌进行无性繁殖的主要方式 成熟的酵母菌细胞 先长出一个小芽 芽细胞长到一定程度 脱离母细胞继续生长 而后形成新个体 有多边出芽 两端出芽 和三边出芽 分裂生殖少数种类的酵母菌与细菌一样 借细胞横分裂而繁殖 芽裂母细胞总在一端出芽 并在芽基处形成隔膜 子细胞呈瓶状 这种方式很少 有性繁殖 在合适的条件下接合子经减数分裂 双倍体核分裂为4 8个单倍体核 形成子囊孢子 包含在由酵母菌细胞壁演变来的子囊中 子囊孢子又可萌发成单倍体营养细胞 酵母可以通过出芽进行无性生殖 也可以通过形成子囊孢子进行有性生殖 无性生殖即在环境条件适合时 从母细胞上长出一个芽 逐渐长到成熟大小后与母体分离 有性生殖在营养状况不好时 一些可进行有性生殖的酵母会形成孢子 一般是四个 在条件适合时再萌发 一些酵母 如假丝酵母 或称念珠菌 Candida 不能进行有性繁殖 特征及用途 多数酵母可以分离于富含糖类的环境中 比如一些水果 葡萄 苹果 桃等 或者植物分泌物 如仙人掌的汁 一些酵母在昆虫体内生活 酵母菌是单细胞真核微生物 酵母菌细胞的形态通常有球形 卵圆形 腊肠形 椭圆形 柠檬形或藕节形等 比细菌的单细胞个体要大得多 一般为1 5微米或5 20微米 酵母菌无鞭毛 不能游动 酵母菌具有典型的真核细胞结构 有细胞壁 细胞膜 细胞核 细胞质 液泡 线粒体等 有的还具有微体 酵母菌的遗传物质组成 细胞核DNA 线粒体DNA 以及特殊的质粒DNA 大多数酵母菌的菌落特征与细菌相似 但比细菌菌落大而厚 菌落表面光滑 湿润 粘稠 容易挑起 菌落质地均匀 正反面和边缘 中央部位的颜色都很均一 菌落多为乳白色 少数为红色 个别为黑色 在医药工业中 酵母及其制品用于治疗某些消化不良症 并能提高和调整人体的新陈代谢机能 因此 药用酵母的生产在酵母工业中占有重要的地位 在畜牧业中 酵母广泛用作精饲料以增加饲料中的蛋白质含量 对提高禽畜的出肉率 产蛋率和产乳率 对肉质的改良和毛皮质量的提高均有明显的效果 基因组组成 在酿酒酵母测序计划开始之前 人们通过传统的遗传学方法已确定了酵母中编码RNA或蛋白质的大约2600个基因 通过对酿酒酵母的完整基因组测序 发现在12068kb的全基因组序列中有5885个编码专一性蛋白质的开放阅读框 这意味着在酵母基因组中平均每隔2kb就存在一个编码蛋白质的基因 即整个基因组有72 的核苷酸顺序由开放阅读框组成 这说明酵母基因比其它高等真核生物基因排列紧密 如在线虫基因组中 平均每隔6kb存在一个编码蛋白质的基因 在人类基因组中 平均每隔30kb或更多的碱基才能发现一个编码蛋白质的基因 酵母基因组的紧密性是因为基因间隔区较短与基因中内含子稀少 酵母基因组的开放阅读框平均长度为1450bp即483个密码子 最长的是位于 号染色体上的一个功能未知的开放阅读框 4910个密码子 还有极少数的开放阅读框长度超过1500个密码子 在酵母基因组中 也有编码短蛋白的基因 例如 编码由40个氨基酸组成的细胞质膜蛋白脂质的PMP1基因 此外 酵母基因组中还包含 约140个编码RNA的基因 排列在 号染色体的长末端 40个编码SnRNA的基因 散布于16条染色体 属于43个家族的275个tRNA基因也广泛分布于基因组中 染色体简况 染色体编号长度 bp 基因数tRNA基因数I23 103894 80718841013 315 10318210 153197479627V56920227113 270 10312910 109093657233 561 10326911 43988622110X74544237924 66644833116 107817153422 I92443045921 V78432841915XV109228356020X 94806148717 序列测定揭示了酵母基因组中大范围的碱基组成变化 多数酵母染色体由不同程度的 大范围的GC丰富DNA序列和GC缺乏DNA序列镶嵌组成 这种GC含量的变化与染色体的结构 基因的密度以及重组频率有关 GC含量高的区域一般位于染色体臂的中部 这些区域的基因密度较高 GC含量低的区域一般靠近端粒和着丝粒 这些区域内基因数目较为贫乏 Simchen等证实 酵母的遗传重组即双链断裂的相对发生率与染色体的GC丰富区相耦合 而且不同染色体的重组频率有所差别 较小的 和 号染色体的重组频率比整个基因组的平均重组频率高 酵母基因组另一个明显的特征是含有许多DNA重复序列 其中一部分为完全相同的DNA序列 如rDNA与CUP1基因 Ty因子及其衍生的单一LTR序列等 在基因的间隔区包含大量的三核苷酸重复 引起了人们的高度重视 因为一部分人类遗传疾病是由三核苷酸重复数目的变化所引起的 还有更多的DNA序列彼此间具有较高的同源性 这些DNA序列被称为遗传丰余 geneticredundancy 酵母多条染色体末端具有长度超过几十个kb的高度同源区 它们是遗传丰余的主要区域 这些区域至今仍然在发生着频繁的DNA重组过程 遗传丰余的另一种形式是单个基因重复 其中以分散类型最为典型 另外还有一种较为少见的类型是成簇分布的基因家族 成簇同源区 clusterhomologyregion 简称CHR 是酵母基因组测序揭示的一些位于多条染色体的同源大片段 各片段含有相互对应的多个同源基因 它们的排列顺序与转录方向十分保守 同时还可能存在小片段的插入或缺失 这些特征表明 成簇同源区是介于染色体大片段重复与完全分化之间的中间产物 因此是研究基因组进化的良好材料 被称为基因重复的化石 染色体末端重复 单个基因重复与成簇同源区组成了酵母基因组遗传丰余的大致结构 研究表明 遗传丰余中的一组基因往往具有相同或相似的生理功能 因而它们中单个或少数几个基因的突变并不能表现出可以辨别的表型 这对酵母基因的功能研究是很不利的 所以许多酵母遗传学家认为 弄清遗传丰余的真正本质和功能意义 以及发展与此有关的实验方法 是揭示酵母基因组全部基因功能的主要困难和中心问题 作为模式生物的作用 酵母作为高等真核生物特别是人类基因组研究的模式生物 其最直接的作用体现在生物信息学领域 当人们发现了一个功能未知的人类新基因时 可以迅速地到任何一个酵母基因组数据库中检索与之同源的功能已知的酵母基因 并获得其功能方面的相关信息 从而加快对该人类基因的功能研究 研究发现 有许多涉及遗传性疾病的基因均与酵母基因具有很高的同源性 研究这些基因编码的蛋白质的生理功能以及它们与其它蛋白质之间的相互作用将有助于加深对这些遗传性疾病的了解 此外 人类许多重要的疾病 如早期糖尿病 小肠癌和心脏疾病 均是多基因遗传性疾病 揭示涉及这些疾病的所有相关基因是一个困难而漫长的过程 酵母基因与人类多基因遗传性疾病相关基因之间的相似性将为我们提高诊断和治疗水平提供重要的帮助 酵母作为模式生物的最好例子体现在那些通过连锁分析 定位克隆然后测序验证而获得的人类遗传性疾病相关基因的研究中 后者的核苷酸序列与酵母基因的同源性为其功能研究提供了极好的线索 例如 人类遗传性非息肉性小肠癌相关基因与酵母的MLH1 MSH2基因 运动失调性毛细血管扩张症相关基因与酵母的TEL1基因 布卢姆氏综合征相关基因与酵母的SGS1基因 都有很高的同源性 见表2 遗传性非息肉性小肠癌基因在肿瘤细胞中表现出核苷酸短重复顺序不稳定的细胞表型 而在该人类基因被克隆以前 研究工作者在酵母中分离到具有相同表型的基因突变 msh2和mlh1突变 受这个结果启发 人们推测小肠癌基因是MSH2和MLH1的同源基因 而它们在核苷酸序列上的同源性则进一步证实了这一推测 布卢姆氏综合征是一种临床表现为性早熟的遗传性疾病 病人的细胞在体外培养时表现出生命周期缩短的表型 而其相关基因则与酵母中编码蜗牛酶的SGS1基因具有很高的同源性 与来自布卢姆氏综合征个体的培养细胞相似 SGS1基因突变的酵母细胞表现出显著缩短的生命周期 Francoise等研究了170多个通过功能克隆得到的人类基因 发现它们中有42 与酵母基因具有明显的同源性 这些人类基因的编码产物大部分与信号转导途径 膜运输或者DNA合成与修复有关 而那些与酵母基因没有明显同源性的人类基因主要编码一些膜受体 血液或免疫系统组分 或人类特殊代谢途径中某些重要的酶和蛋白质 酵母作为模式生物的作用不仅是在生物信息学方面的作用 酵母也为高等真核生物提供了一个可以检测的实验系统 例如 可利用异源基因与酵母基因的功能互补以确证基因的功能 据Bassett的不完全统计 到1996年7月15日 至少已发现了71对人类与酵母的互补基因 六个类型1 20个基因与生物代谢包括生物大分子的合成 呼吸链能量代谢以及药物代谢等有关2 16个基因与基因表达调控相关 包括转录 转录后加工 翻译 翻译后加工和蛋白质运输等3 1个基因是编码膜运输蛋白的4 7个基因与DNA合成 修复有关5 7个基因与信号转导有关6 17个基因与细胞周期有关 现在 人们发现有越来越多的人类基因可以补偿酵母的突变基因 因而人类与酵母的互补基因的数量已远远超过过去的统计 在发酵工程中的应用单细胞真核生物的酵母菌具有比较完备的基因表达调控机制和对表达产物的加工修饰能力 酿酒酵母 Saccharomyces Cerevisiae 在分子遗传学方面被人们的认识最早 也是最先作为外源基因表达的酵母宿主 1981年酿酒酵母表达了第一个外源基因 干扰素基因 随后又有一系列外源基因在该系统得到表达干扰素和胰岛素虽然已经利用酿酒酵母大量生产并被广泛应用 当利用酿酒酵母制备时 实验室的结果很令人鼓舞 但由实验室扩展到工业规模时 其产量迅速下降 原因是培养基中维特质粒高拷贝数的选择压力消失质粒变得不稳定 拷贝数下降 拷贝数是高效表达的必备因素 因此拷贝数下降 也直接导致外源基因表达量的下降 同时 实验室用培养基成分复杂且昂贵 当采用工业规模能够接受的培养基时 导致了产量的下降 为克服酿酒酵母的局限 1983年美国Wegner等人最先发展了以甲基营养型酵母 methylotrophicyeast 为代表的第二代酵母表达系统 甲基营养型酵母包括 Pichia Candida等 以Pichia pastoris 毕赤巴斯德酵母 为宿主的外源基因表达系统近年来发展最为迅速 应用也最为广泛 毕赤酵母系统的广泛应用 原因在于该系统除了具有一般酵母所具有的特点外 发酵后的酵母还是一种很强的抗氧化物 可以保护肝脏 有一定的解毒作用 酵母里的硒 铬等矿物质能抗衰老 抗肿瘤 预防动脉硬化 并提高人体的免疫力 发酵后 面粉里一种影响钙 镁 铁等元素吸收的植酸可被分解 从而提高人体对这些营养物质的吸收和利用在烘烤食品中的作用使制品疏松 酵母保护肝脏 改善风味作用增加营养价值 因为酵母的主要成分是蛋白质 几乎占了酵母干物质的一半含量 而且人体必需氨基酸含量充足 尤其是谷物中较缺乏的赖氨酸含量较多 另一方面 含有大量的维生素B1 维生素B2及尼克酸 所以 酵母能提高发酵食品的营养价值 参考文献 1 1 01 11 2Whatareyeasts 酵母的历史Historyofyeasts 2011 08 17 2 HuxleyA Discourses Biological Geological volumeVIII Yeast CollectedEssays 2009 11 28 3 PhillipsT PlanetsinaBottle Moreaboutyeast Science NASA 2009 11 28 4 BarnettJA Beginningsofmicrobiologyandbiochemistry thecontributionofyeastresearch Microbiology Reading Engl 2003 149 Pt3 557 67 2009 11 28 PMID12634325 5 5 05 15 25 35 4岑沛霖 蔡谨 工业微生物 北京 中国 化学工业出版社 2000 6 72 ISBN7 5025 2643 9 6 Prescott Harley Klein Microbiology Hammond IN U S A McGraw HillHigherEducation 2002 10 25 554 ISBN0 07 282905 2 7 周德庆 微生物学教程 北京 中国 高等教育出版社 2002 5 47 50 ISBN978 7 04 011116 3 8 SuhSO McH JV PollockDD BlackwellM Thebeetlegut ahyperdiversesourceofnovelyeasts MycolRes 2005 109 Pt3 261 265 2011 10 19 PMID2943959 9 BarnettJA TheentryofD riboseintosomeyeastsofthegenusPichia JournalofGeneralMicrobiology 1975 90 1 1 12 PMID1176959 10 10 010 1Yeast Howstuffworks 2011 10 19 Otheryeastenzymescanmakesimplesugarsoutofdisaccharides doublesugars whicharefoundincertainorganisms 11 EasySelectPichiaExpressionKit Manualbook Invitrogen 2011 10 19 12 曹文平 武晓刚 郭 etc 酵母菌在废水处理中的应用现状和进展 中国生物工程杂志 2007 27 11 99 104 2011 08 25 JimDeacon InstituteofCellandMolecularBiology TheUniversityofEdinburgh TheMicrobialWorld Yeastsandyeast likefungiSaccharomyces CryptococcusandCandidaalbicans 2011 9 23 英文 20 JimDeacon InstituteofCellandMolecularBiology TheUniversityofEdinburgh TheM