郭曉強(qiáng)，黃衛(wèi)人

①深圳市第二人民醫(yī)院，廣東 深圳 518035；②北京大學(xué)深圳醫(yī)院，廣東 深圳 518036

自然科學(xué)史

神奇的酵母，科學(xué)的寵兒*

郭曉強(qiáng)①②?，黃衛(wèi)人①

①深圳市第二人民醫(yī)院，廣東 深圳 518035；②北京大學(xué)深圳醫(yī)院，廣東 深圳 518036

酵母是一種單細(xì)胞真核生物，基于自身諸多優(yōu)勢(shì)而成為生物化學(xué)、遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的重要研究模型。借助酵母無細(xì)胞體系闡明了酶的功能、酶的構(gòu)成、輔酶特性、tRNA結(jié)構(gòu)和真核轉(zhuǎn)錄機(jī)制等。酵母作為模式生物在細(xì)胞周期、囊泡運(yùn)輸、細(xì)胞自噬、端粒保護(hù)、蛋白質(zhì)折疊、未折疊蛋白應(yīng)答、DNA損傷應(yīng)答、雷帕霉素靶點(diǎn)和組蛋白調(diào)節(jié)等重大發(fā)現(xiàn)中做出了根本性貢獻(xiàn)。許多科學(xué)家也因此榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。本文全面介紹酵母在科研中的應(yīng)用價(jià)值。

酵母；模式生物；無細(xì)胞體系；遺傳學(xué)；細(xì)胞生物學(xué)；諾貝爾獎(jiǎng)

生命科學(xué)的研究一方面依賴于科學(xué)家高超的邏輯思維、嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和熟練的動(dòng)手操作能力，另一方面還有賴于合適的研究體系和完美的研究對(duì)象。生命科學(xué)的迅猛發(fā)展捧紅了大量的模式生物，而酵母(yeast)是其中最耀眼的明星?？蒲腥藛T借助酵母的無私奉獻(xiàn)洞察諸多生命奧秘，因此，在科學(xué)家獲得的榮譽(yù)中也理應(yīng)有酵母的一份功勞。

1 概述

酵母是一種單細(xì)胞真核生物，大部分采取對(duì)等分裂，少數(shù)通過出芽形式。酵母作為模式生物擁有諸多優(yōu)勢(shì)：簡(jiǎn)單性，比多細(xì)胞模式生物簡(jiǎn)單；復(fù)雜性，比細(xì)菌又多出細(xì)胞核；易觀測(cè)，單倍體和多倍體共存，突變體表型明顯；易操作，可用發(fā)酵模式增殖；多樣性，同源重組增加基因變異，有利于后續(xù)篩選。集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的酵母當(dāng)仁不讓地成為生命科學(xué)研究的“寵兒”。

自然界已發(fā)現(xiàn)酵母1 500多種，而實(shí)驗(yàn)室最常用的兩類是釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)和裂殖酵母(Schizosaccharomyces pombe)(圖1)，尤以前者應(yīng)用最廣。釀酒酵母，又稱面包酵母或芽殖酵母，廣泛應(yīng)用于物質(zhì)代謝、周期調(diào)控、囊泡運(yùn)輸、細(xì)胞自噬和細(xì)胞衰老等研究；裂殖酵母主要應(yīng)用于細(xì)胞周期調(diào)控、DNA損傷應(yīng)答和DNA復(fù)制等研究。

圖1 兩種實(shí)驗(yàn)室常用酵母

2 研究簡(jiǎn)史

酵母(主要指釀酒酵母)的應(yīng)用源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。幾千年前，人類就已在無意中應(yīng)用到酵母，如碾碎的葡萄在水中可進(jìn)行發(fā)酵，而直到19世紀(jì)才通過實(shí)驗(yàn)證明這種效果主要由葡萄表皮攜帶的酵母完成。人們因此有目的地將具有發(fā)酵活性的成分添加到谷物、麥芽等用于造酒、釀醋等。

酵母真正進(jìn)入科學(xué)家的視野始于現(xiàn)代科學(xué)的興起階段。1680年，荷蘭科學(xué)家列文虎克(Anton van Leeuwenhoek)首次在顯微鏡下觀察到酵母。19世紀(jì)，隨著大量酵母的制備和應(yīng)用，對(duì)它的研究逐漸成為科研焦點(diǎn)。法國(guó)微生物學(xué)家巴斯德(Louis Pasteur)嚴(yán)格地用實(shí)驗(yàn)證明，酒精發(fā)酵是酵母工作的結(jié)果——在存在酵母且缺乏氧氣前提下蔗糖可被轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖己投趸?。德?guó)化學(xué)家李比希(Justus von Liebig)則提出，發(fā)酵過程實(shí)際是酵母內(nèi)酶催化的結(jié)果，并將這種酶稱為酵素。當(dāng)時(shí)出現(xiàn)“活力論”觀點(diǎn)，認(rèn)為生命和非生命之間存在無法逾越的鴻溝，酵素只能在活酵母內(nèi)發(fā)揮活性。這一論點(diǎn)于1897年被德國(guó)化學(xué)家畢希納(Eduard Buchner)的“無細(xì)胞酵母體系”所否定，并開創(chuàng)酵母無細(xì)胞研究領(lǐng)域。

20世紀(jì)30年代，酵母開始作為模式生物登上遺傳學(xué)舞臺(tái)。當(dāng)時(shí)經(jīng)典遺傳學(xué)家利用豌豆、果蠅和玉米等取得了一系列重大的進(jìn)展并奠定了遺傳學(xué)基礎(chǔ)，但許多研究者認(rèn)為它們過于復(fù)雜，因此獨(dú)辟蹊徑開始尋找替代物。1933年，丹麥生物學(xué)家溫厄(?jvind Winge)觀察到酵母具有易保存、易培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此決定將酵母開發(fā)為遺傳學(xué)模式生物。他利用顯微操作對(duì)釀酒酵母的生活周期進(jìn)行了全面描述，證明酵母通過交配實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的交換，其性狀分離符合孟德爾規(guī)律。溫厄的研究工作為酵母遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，他因此被譽(yù)為“酵母遺傳學(xué)之父”(圖2)[1]。此外，美國(guó)遺傳學(xué)家林德格倫(Carl Lindegren)也嘗試將釀酒酵母作為模式生物，完成酵母培養(yǎng)、遺傳操作、性狀篩選等工作，成為后續(xù)諸多研究的基礎(chǔ)。1946年，瑞士遺傳學(xué)家利奧波德(Urs Leupold)在溫厄鼓勵(lì)下研究裂殖酵母，篩選到多株不同配型的酵母株。隨后幾十年，利奧波德闡明裂殖酵母遺傳突變和阻遏蛋白，構(gòu)建出第一張遺傳圖譜，成為裂殖酵母領(lǐng)域的奠基人[2]。

20世紀(jì)60年代，酵母逐漸成為生命科學(xué)領(lǐng)域的重要模型。美國(guó)遺傳學(xué)家謝爾曼(Fred Sherman)借助酵母突變體，一方面證明了遺傳密碼的通用性，另一方面還鑒定出起始密碼子AUG和三個(gè)終止密碼子UAA、UAG和UGA。謝爾曼還制備出大量的酵母突變體，建立新型篩選方法，強(qiáng)化酵母模式生物的地位。70年代，謝爾曼與芬克(Gerald Fink)合作開辦冷泉港酵母分子生物學(xué)講習(xí)班，一方面講授酵母遺傳學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)操作，另一方面謝爾曼還以身作則傳授青年學(xué)子思考、從事和享受科學(xué)的方式。謝爾曼影響了幾代酵母遺傳學(xué)家，如謝克曼(Randy Wayne Schekman)等。英國(guó)動(dòng)物學(xué)家米基森(John Murdoch Mitchison)則將裂殖酵母應(yīng)用于細(xì)胞增殖和周期調(diào)控的研究，被譽(yù)為酵母細(xì)胞生物學(xué)的先驅(qū)。20世紀(jì)70年代，酵母生物學(xué)的發(fā)展迎來黃金時(shí)代，科學(xué)家借助酵母先后闡明了細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞囊泡運(yùn)輸、端粒功能、細(xì)胞自噬、蛋白質(zhì)折疊機(jī)制、未折疊蛋白應(yīng)答、組蛋白調(diào)控等眾多生命現(xiàn)象，并因此誕生多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。

圖2 酵母遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)先驅(qū)

1990年，人類基因組計(jì)劃的實(shí)施也推動(dòng)了酵母基因組研究的步伐。1996年，釀酒酵母的基因組測(cè)序完成，這是完成的第一個(gè)真核生物基因組；2002年，進(jìn)一步完成裂殖酵母的基因組測(cè)序。酵母基因組測(cè)序的完成進(jìn)一步推動(dòng)了酵母生物學(xué)的全面發(fā)展。2014年，紐約大學(xué)酵母遺傳學(xué)家伯克(Jef Boeke)完成釀酒酵母染色體Ⅲ的人工全合成，從而使酵母的研究達(dá)到新高度。

3 無酵母細(xì)胞體系

20世紀(jì)上半葉是經(jīng)典生物化學(xué)的時(shí)代，而下半葉則是分子生物學(xué)的天下。在生物化學(xué)時(shí)代(亦稱代謝時(shí)代)，酵母最大的用途在于提供體外反應(yīng)體系。

3.1 無細(xì)胞酵解的發(fā)現(xiàn)

畢希納是一位有機(jī)化學(xué)家，他研究酵母的初衷在于探索酵母的醫(yī)用價(jià)值。畢希納與助手用研磨方法破壞慕尼黑釀酒酵母的外部結(jié)構(gòu)以釋放內(nèi)含物，將酵母勻漿進(jìn)一步過濾后除去未碾碎成分，即可制備出純凈酵母汁。由于一次制備的酵母汁數(shù)量過大，需進(jìn)行保存。當(dāng)時(shí)常用防腐劑是高濃度蔗糖。當(dāng)畢希納將蔗糖加入酵母汁后，意外地發(fā)現(xiàn)溶液中產(chǎn)生大量氣泡，經(jīng)分析表明它是二氧化碳。這一現(xiàn)象意味著酵母汁可使蔗糖轉(zhuǎn)化出二氧化碳，而這恰恰是發(fā)酵過程(圖3)。這一實(shí)驗(yàn)清晰地表明酵素可在無活酵母情況下?lián)碛写呋钚?，因而宣布“活力論”破產(chǎn)。1907年，畢希納由于“無細(xì)胞發(fā)酵的發(fā)現(xiàn)”而獨(dú)享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。畢希納的發(fā)現(xiàn)具有重大的哲學(xué)意義，闡述了“生命是一個(gè)化學(xué)過程”。這一信念成為20世紀(jì)生命科學(xué)的指導(dǎo)思想，并推動(dòng)代謝生物化學(xué)和分子生物學(xué)迅猛發(fā)展，時(shí)至今日，體外實(shí)驗(yàn)仍是生命科學(xué)領(lǐng)域最重要的研究體系。從這個(gè)角度而言，1897年應(yīng)看作生物化學(xué)元年，而酵母在其中的貢獻(xiàn)功不可沒。

圖3 畢希納與無酵母細(xì)胞酵解

3.2 輔酶的發(fā)現(xiàn)

畢希納的實(shí)驗(yàn)僅表明酵素可在體外發(fā)揮催化功能，但作用方式不詳。1904年，英國(guó)生物化學(xué)家哈登爵士(Sir Arthur Harden)和同事楊(William John Young)決定進(jìn)一步研究酵素的作用機(jī)制。已知酵母汁加熱煮沸后催化活性消失，而哈登等將煮沸后的酵母汁與催化能力極低的過期酵母汁混合后意外地發(fā)現(xiàn)催化能力加強(qiáng)，這表明一種熱穩(wěn)定物質(zhì)對(duì)于酵母汁的活性具有重要影響。為證明這種熱穩(wěn)定性物質(zhì)的特性，哈登采用超濾法將酵母汁分為兩部分：可透過的小分子物質(zhì)和不可透過的大分子物質(zhì)。兩者單獨(dú)檢測(cè)均無酶活性，重新混合則酵解能力恢復(fù)。將兩者分別煮沸后加入過期酵母汁，發(fā)現(xiàn)只有小分子物質(zhì)具有增強(qiáng)效應(yīng)，說明其具有耐熱性；兩者不煮沸分別加入，則大分子物質(zhì)活性增強(qiáng)能力更高，說明它是主要催化部分。結(jié)合這一系列結(jié)果，哈登確定酵素并非單一成分，而由兩部分構(gòu)成——不耐熱大分子物質(zhì)和耐熱小分子物質(zhì)(輔酶)[3]。隨后瑞典化學(xué)家馮歇爾平(Hans von Euler-Chelpin)進(jìn)一步確定輔酶的構(gòu)成。

馮歇爾平敏銳地意識(shí)到輔酶研究的重要性和簡(jiǎn)單性(比大分子物質(zhì)易研究)，因此著手這一課題。他從大量酵母汁提取獲得200個(gè)單位酶活性粗提液，進(jìn)一步濃縮成85 000個(gè)單位酶活性的高純度酶，這一操作可最大程度地減少雜質(zhì)影響。馮歇爾平最終分離得到高純度的輔酶，并借助化學(xué)分析手段確定輔酶的組成。它由三部分構(gòu)成，分別為戊糖、堿基和磷酸，是一種二磷酸吡啶核苷酸(diphosphopyridine nucleotide，DPN)，后稱輔酶Ⅰ。1929年，哈登和馮歇爾平由于“酶的組成和輔酶的發(fā)現(xiàn)”而分享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)(圖4)。

3.3 黃素氧化酶的發(fā)現(xiàn)

生物氧化是機(jī)體最重要的化學(xué)反應(yīng)之一，是能量代謝的基礎(chǔ)。1932年，德國(guó)生物化學(xué)家瓦伯格(Otto Heinrich Warburg，1931年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者)與同事在酵母中發(fā)現(xiàn)一種黃色氧化酶(黃酶)，并確定氧化酶由兩部分構(gòu)成，即黃色色素和載體蛋白。后證實(shí)黃色色素含核黃素，即維生素B2。然而補(bǔ)充核黃素或維生素B2到載體蛋白卻無法恢復(fù)酶活性，說明黃色色素與核黃素并非相同物質(zhì)。1934年，瑞典生物化學(xué)家特奧雷爾(Axel Hugo Theodor Theorell)在瓦伯格實(shí)驗(yàn)室完成酵母黃色氧化酶兩部分的分離和純化，而最關(guān)鍵在于獲得結(jié)晶，意味著獲得的兩種物質(zhì)純度極高。兩者單獨(dú)均無活性，但混合后催化能力恢復(fù)，從而完成真正意義上的酶拆分和再結(jié)合實(shí)驗(yàn)。對(duì)色素部分的分析表明，其并非單純核黃素，而是核黃素單磷酸(flavin mononucleotide，F(xiàn)MN)。這一結(jié)果很好地解釋了當(dāng)初的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1955年，特奧雷爾由于在“氧化酶本質(zhì)和作用方式方面的發(fā)現(xiàn)”而獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(圖5)。

圖4 輔酶的發(fā)現(xiàn)

圖5 酵母黃酶的發(fā)現(xiàn)

3.4 酵母丙氨酸-tRNA序列的測(cè)定

20世紀(jì)60年代，美國(guó)生物化學(xué)家霍利(Robert William Holley)決定通過解析tRNA結(jié)構(gòu)而理解其生物學(xué)功能。

由于酵母獲取便利而成為研究對(duì)象，霍利花費(fèi)3年時(shí)間共從100 kg釀酒酵母獲得200 g酵母tRNA粗提物，最終獲得1 g高純度酵母丙氨酸-tRNA?；衾捎煤蜕８褚葝u素測(cè)序類似的策略，首先將酵母丙氨酸-tRNA利用兩種識(shí)別位點(diǎn)不同的核酸內(nèi)切酶水解出不同片段的寡核苷酸，完成寡核苷酸測(cè)序后再采用序列重疊法將短片段拼接出完整序列。1965年，霍利完成76個(gè)核苷酸的酵母丙氨酸-tRNA全序列——這是人類破譯的第一種核酸分子，還進(jìn)一步獲得二級(jí)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)tRNA含有氨基酸臂和反密碼子環(huán)[4](圖6)。反密碼子與mRNA上密碼子通過互補(bǔ)配對(duì)保證氨基酸準(zhǔn)確定位，對(duì)理解蛋白質(zhì)翻譯過程具有重要意義。1968年，霍利等三位科學(xué)家由于在“破譯遺傳密碼”方面的貢獻(xiàn)而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1981年，中國(guó)科學(xué)家王德寶等在世界上首次完成酵母丙氨酸-tRNA的人工合成，提升了中國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際地位。

圖6 霍利與酵母丙氨酸-tRNA的解析

3.5 真核轉(zhuǎn)錄機(jī)制的發(fā)現(xiàn)

基因轉(zhuǎn)錄是最基礎(chǔ)的生物學(xué)問題之一，對(duì)理解DNA的基因表達(dá)和調(diào)控具有重要意義。真核生物三種RNA聚合酶負(fù)責(zé)不同RNA的轉(zhuǎn)錄，其中負(fù)責(zé)mRNA轉(zhuǎn)錄的RNA聚合酶Ⅱ調(diào)控最為精細(xì)。20世紀(jì)70年代，美國(guó)生物化學(xué)家科恩伯格(Roger David Kornberg)決定闡明這一過程。

盡管真核生物轉(zhuǎn)錄復(fù)雜，但科恩伯格從復(fù)雜中尋找簡(jiǎn)單，他選擇最簡(jiǎn)單的真核生物——釀酒酵母作為研究對(duì)象，制備出無酵母體外轉(zhuǎn)錄體系，奠定后續(xù)研究的基礎(chǔ)?？贫鞑窭皿w外轉(zhuǎn)錄體系，在驗(yàn)證前期mRNA轉(zhuǎn)錄需RNA聚合酶Ⅱ和通用轉(zhuǎn)錄因子的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)中介復(fù)合物(mediator)也發(fā)揮關(guān)鍵作用。為更好地理解真核mRNA轉(zhuǎn)錄詳細(xì)機(jī)制，科恩伯格決定解析轉(zhuǎn)錄復(fù)合物結(jié)構(gòu)。隨后十幾年，科恩伯格克服真核轉(zhuǎn)錄復(fù)合物結(jié)晶難以及動(dòng)態(tài)捕獲、成像技巧和數(shù)據(jù)分析等各方面的難題，最終于2001年在分子水平解析了真核轉(zhuǎn)錄機(jī)制[5](圖7)。科恩伯格一方面獲得2.8 ?分辨率包含10個(gè)亞基的酵母RNA聚合酶Ⅱ結(jié)構(gòu)，從而理解轉(zhuǎn)錄基本過程；另一方面還獲取包含RNA聚合酶Ⅱ、模板DNA和產(chǎn)物RNA在內(nèi)的轉(zhuǎn)錄延伸復(fù)合物，從而解析轉(zhuǎn)錄動(dòng)態(tài)過程。進(jìn)一步研究后他還闡明了酵母轉(zhuǎn)錄中多個(gè)步驟的分子機(jī)制，包括啟動(dòng)子識(shí)別、轉(zhuǎn)錄起始、核苷酸添加、轉(zhuǎn)錄延伸、核苷酸選擇、轉(zhuǎn)錄終止等，從而對(duì)轉(zhuǎn)錄機(jī)制的理解有了本質(zhì)的提升。轉(zhuǎn)錄機(jī)制的闡明對(duì)許多過程如發(fā)育、分化、凋亡和疾病如癌癥、炎癥和代謝性疾病等有了新的理解。

圖7 酵母轉(zhuǎn)錄機(jī)制

2006年，科恩伯格由于“真核生物轉(zhuǎn)錄分子機(jī)制”的闡明而獨(dú)享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

清華大學(xué)施一公教授研究剪接體結(jié)構(gòu)也以酵母為材料，出發(fā)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

4 理想模式生物

分子生物學(xué)時(shí)代，酵母成為闡述許多基本生物學(xué)問題的重要模式生物。

4.1 細(xì)胞周期

真核生物細(xì)胞周期(cell cycle)一般分為細(xì)胞間期(G0)、有絲分裂期和胞質(zhì)分裂期(M)。有絲分裂期還可進(jìn)一步分為細(xì)胞生長(zhǎng)1期(G1)、DNA合成期(synthesis，S)和細(xì)胞生長(zhǎng)2期(G2)。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)生物學(xué)家哈特韋爾(Leland Hartwell)決定以釀酒酵母為材料研究細(xì)胞周期，從而掀起從傳統(tǒng)酵母遺傳學(xué)向細(xì)胞生物學(xué)過渡的大幕。

哈特韋爾采用經(jīng)典遺傳學(xué)方法誘導(dǎo)大量酵母突變體，從中篩選細(xì)胞周期異常突變體作為實(shí)驗(yàn)材料。哈特韋爾發(fā)現(xiàn)100多種酵母基因與細(xì)胞周期相關(guān)，統(tǒng)稱細(xì)胞分裂周期(cell division cycle，CDC)基因[6]，其中CDC28基因最為關(guān)鍵，它的突變?cè)斐山湍竿礼1期而無法進(jìn)入S期，因此稱為“起始”基因。

哈特韋爾的成功激發(fā)英國(guó)細(xì)胞生物學(xué)家納斯(Paul Nurse)也進(jìn)入細(xì)胞周期領(lǐng)域。納斯選擇裂殖酵母作為模式生物。相對(duì)于芽殖酵母，裂殖酵母采取均等分裂產(chǎn)生兩個(gè)子細(xì)胞，這種模式更類似哺乳動(dòng)物細(xì)胞。納斯也鑒定出大量裂殖酵母細(xì)胞分裂周期基因，除部分與芽殖酵母相同外，還有自身特有基因，特別是CDC2，該基因突變?cè)斐山湍笩o法從G2期進(jìn)入M期。1987年，納斯采用回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)還鑒定出酵母CDC2同源蛋白——細(xì)胞周期蛋白依賴激酶1(cyclin dependent kinase 1，CDK1)[7]，說明細(xì)胞周期過程的保守性。

細(xì)胞周期在生殖和發(fā)育等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其異常與癌癥相關(guān)。2001年，哈特韋爾和納斯等三位科學(xué)家由于“細(xì)胞周期關(guān)鍵調(diào)節(jié)蛋白”發(fā)現(xiàn)而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(圖8)。

圖8 酵母細(xì)胞周期

4.2 端粒保護(hù)

端粒(telomere)是20世紀(jì)30年代在真核生物中發(fā)現(xiàn)的一種染色體末端特殊結(jié)構(gòu)。70年代末，美國(guó)分子生物學(xué)家布萊克伯恩(Elizabeth Blackburn)以四膜蟲(Tetrahymena thermophila)為材料借助桑格DNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)染色體端粒區(qū)含有大量六核苷酸(CCCCAA)串聯(lián)重復(fù)，但不清楚它的生物學(xué)意義。1980年的一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，布萊克伯恩與哈佛醫(yī)學(xué)院佐斯塔克(Jack William Szostak)相識(shí)，決定合作揭開這一奧秘。

布萊克伯恩和佐斯塔克發(fā)現(xiàn)酵母染色體端粒區(qū)自身獨(dú)有重復(fù)序列(TG1-3)，證明了布萊克伯恩結(jié)果的可靠性。和布萊克伯恩合作前，佐斯塔克已發(fā)現(xiàn)酵母存在少量小染色體，它們?yōu)榫€性結(jié)構(gòu)，極不穩(wěn)定。當(dāng)發(fā)現(xiàn)酵母也存在端粒結(jié)構(gòu)后，他們一起將四膜蟲端粒重復(fù)結(jié)構(gòu)添加到酵母小染色體末端，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雜合染色體穩(wěn)定性極大提升(圖9)[8]。這一結(jié)果一方面證明端粒的生物學(xué)功能(保護(hù)染色體避免降解)，另一方面說明結(jié)構(gòu)保守性(四膜蟲端粒在酵母內(nèi)發(fā)揮活性)。佐斯塔克實(shí)驗(yàn)室還制備出端粒生成異常的酵母突變體。這些酵母雖可正常生長(zhǎng)，但隨著細(xì)胞分裂而導(dǎo)致端?？焖倏s短，酵母出現(xiàn)衰老，證明端粒具有保持長(zhǎng)壽的功能。

圖9 佐斯塔克與端粒作用

2009年，佐斯塔克和布萊克伯恩等三位科學(xué)家由于“端粒、端粒酶及在染色體保護(hù)機(jī)制方面的發(fā)現(xiàn)”而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

4.3 囊泡運(yùn)輸

20世紀(jì)70年代，研究人員借助形態(tài)學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)方法觀察到細(xì)胞內(nèi)存在頻繁的物質(zhì)運(yùn)輸，且整個(gè)過程由囊泡(vesicle)介導(dǎo)完成。1975年，美國(guó)生物學(xué)家謝克曼決定利用酵母研究囊泡的運(yùn)輸機(jī)制。謝克曼篩選到大量酵母突變體，部分突變體為溫度敏感型——低溫下正常生存，但高溫致死。謝克曼對(duì)兩株酵母突變體觀察后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)由于運(yùn)輸異常而出現(xiàn)囊泡大量積累(圖10)。謝克曼將引起兩株酵母囊泡運(yùn)輸異常的基因稱為“分泌基因”，命名為secl和sec2[9]。謝克曼和學(xué)生隨后通過更大規(guī)模的突變體篩選獲得23個(gè)囊泡運(yùn)輸相關(guān)基因。遺傳學(xué)和生物化學(xué)分析表明囊泡運(yùn)輸是一個(gè)高度保守的過程，哺乳動(dòng)物(包括人)都存在酵母同源基因。因此，謝克曼在酵母囊泡中的發(fā)現(xiàn)成為理解哺乳動(dòng)物囊泡機(jī)制的基礎(chǔ)。

囊泡運(yùn)輸是一個(gè)關(guān)鍵的生物學(xué)過程，可完成蛋白質(zhì)等“貨物”的精確定位，是神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)、免疫系統(tǒng)細(xì)胞因子分泌，以及內(nèi)分泌系統(tǒng)激素生成和作用發(fā)揮等生理過程完成的基礎(chǔ)。它的異常是糖尿病和帕金森綜合征等發(fā)生的原因之一。2013年，謝克曼與另外兩位科學(xué)家由于“細(xì)胞內(nèi)主要運(yùn)輸體系——囊泡運(yùn)輸調(diào)節(jié)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)”而分享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

圖10 謝克曼與酵母囊泡運(yùn)輸

4.4 細(xì)胞自噬

1963年，比利時(shí)細(xì)胞生物學(xué)大師德迪夫(Christian de Duve)首先提出“自噬”(autophagy)概念，即細(xì)胞將自身成分或外源蛋白整合入溶酶體進(jìn)行徹底降解或“廢物”再利用的過程。1988年，日本細(xì)胞生物學(xué)家大隅良典(Yoshinori Ohsumi)決定利用酵母研究細(xì)胞自噬。

利用酵母研究自噬的最大障礙在于細(xì)胞太小，借助光學(xué)顯微鏡較難區(qū)分亞細(xì)胞內(nèi)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。大隅良典認(rèn)為自噬是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，正常情況下細(xì)胞發(fā)生數(shù)量有限，不宜觀察。然而當(dāng)自噬過程異常而引發(fā)積累，則在顯微鏡下容易觀察。大隅良典首先誘導(dǎo)出大量酵母突變體，隨后采用饑餓培養(yǎng)法以增加酵母自噬的發(fā)生，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變酵母出現(xiàn)大量泡狀聚集(圖11)[10]。這一實(shí)驗(yàn)一方面說明酵母適合自噬研究，另一方面還鑒定出第一種自噬基因。大隅良典隨后開展更大規(guī)模的篩選，最終發(fā)現(xiàn)15個(gè)酵母自噬基因，從而奠定了自噬的研究基礎(chǔ)。隨著深入研究并陸續(xù)解析酵母自噬基因的生物學(xué)功能，他最終勾畫出自噬發(fā)生的基本輪廓。更重要的是，細(xì)胞自噬在真核生物高度保守，而人類也存在酵母自噬基因同源物，因此酵母自噬研究為理解人類發(fā)育和疾病發(fā)生提供了重要范式。自噬現(xiàn)象和機(jī)制的研究意義在于對(duì)許多疾病的發(fā)生有了新認(rèn)識(shí)，為新療法的開發(fā)帶來希望。自噬是一個(gè)基本的生物學(xué)過程，它的異常與腫瘤、帕金森綜合征、糖尿病等多種疾病的發(fā)生相關(guān)，因此有望開發(fā)藥物通過增加或減少自噬的發(fā)生而達(dá)到緩解甚至治愈疾病的目的。2016年，大隅良典由于“自噬機(jī)制的發(fā)現(xiàn)”而獨(dú)享諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

圖11 大隅良典與細(xì)胞自噬

4.5 蛋白伴侶

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院生物化學(xué)家安芬森(Christian Anfinsen)以核糖核酸酶為材料證明蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)(氨基酸序列)決定空間結(jié)構(gòu)，而空間結(jié)構(gòu)決定功能，即著名的“安芬森定則”。安芬森因此分享1972年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。后續(xù)大量的實(shí)驗(yàn)證明了安芬森定則的正確性，但核糖體上剛翻譯出的線性蛋白質(zhì)如何折疊出復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)還是一個(gè)未解難題。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)遺傳學(xué)家霍維茨(Authur L. Horwich)應(yīng)用分子生物學(xué)新工具研究遺傳性疾病。鳥氨酸氨甲酰轉(zhuǎn)移酶(OTC)基因突變是一種性連鎖高血氨遺傳病的原因，患病男嬰常夭折。OTC基因定位于X染色體，蛋白卻在線粒體發(fā)揮作用。1983年，霍維茨克隆到大鼠OTC基因，并準(zhǔn)備研究OTC蛋白線粒體的定位機(jī)制。他考慮到哺乳動(dòng)物復(fù)雜性而選擇酵母作模式?；艟S茨將人OTC基因轉(zhuǎn)入酵母，發(fā)現(xiàn)人OTC蛋白可準(zhǔn)確定位到酵母線粒體并發(fā)揮生物學(xué)功能，證明了模型的可行性?；艟S茨隨后與德國(guó)慕尼黑大學(xué)哈特(Franz Ulrich Hartl)合作篩選到一種酵母突變體，此時(shí)人OTC蛋白不再擁有正常功能；從酵母文庫篩選到熱激蛋白60(Hsp60)可彌補(bǔ)這種缺陷[11]。Hsp60在生物體內(nèi)普遍存在，亦稱伴侶蛋白(chaperone)，主要輔助蛋白質(zhì)完成正確折疊。正是Hsp60基因突變破壞OTC蛋白折疊而無生物活性。

伴侶蛋白的發(fā)現(xiàn)豐富和完善了安芬森定則，體內(nèi)大部分蛋白折疊需伴侶蛋白的協(xié)助，尤其在高溫或脅迫等情況下意義更為重大(圖12)。需指出的是，真核生物蛋白質(zhì)折疊采取類似機(jī)制完成，具有高度保守性。伴侶蛋白在蛋白質(zhì)折疊中的功能及機(jī)制的闡明一方面深化了對(duì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)形成的理解，另一方面還具有重要的臨床價(jià)值。細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊可造成多種疾病如早老性癡呆、帕金森綜合征、亨廷頓氏舞蹈病和瘋牛病等的發(fā)生，因此相關(guān)研究將對(duì)提升這些疾病的治療水平具有重要價(jià)值?；艟S茨和哈特也因此分享眾多科學(xué)榮譽(yù)，包括2011年拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)等。

圖12 酵母伴侶蛋白的作用

4.6 未折疊蛋白應(yīng)答

蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的正確折疊對(duì)細(xì)胞生命具有重要意義，營(yíng)養(yǎng)缺乏等環(huán)境脅迫下未折疊蛋白數(shù)量增加可誘導(dǎo)細(xì)胞啟動(dòng)應(yīng)答機(jī)制以降低損傷、度過難關(guān)，它們被稱為未折疊蛋白應(yīng)答(unfolded protein response，UPR)。1988年，研究人員發(fā)現(xiàn)葡萄糖缺乏可造成哺乳動(dòng)物細(xì)胞蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊并誘發(fā)伴侶蛋白BiP表達(dá)增加，但哺乳動(dòng)物的復(fù)雜性使研究BiP誘導(dǎo)機(jī)制困難重重。

1989年，日本科學(xué)家森和俊(Kazutoshi Mori)決定另辟蹊徑利用酵母研究UPR過程。酵母存在BiP同源基因，并且在環(huán)境脅迫下也表達(dá)增加。森和俊發(fā)現(xiàn)酵母BiP同源基因上游存在一個(gè)UPR調(diào)節(jié)序列，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出一個(gè)簡(jiǎn)單、精妙的UPR基因篩選體系。他將UPR調(diào)節(jié)序列整合到β-半乳糖苷酶基因上游并轉(zhuǎn)入酵母，通過藍(lán)白斑實(shí)驗(yàn)快速確定未折疊蛋白應(yīng)答。森和俊首先誘導(dǎo)轉(zhuǎn)基因酵母突變，從中可篩選到UPR相關(guān)基因。這個(gè)方法學(xué)革新極大地加速了研究進(jìn)程。不久加州大學(xué)圣地亞哥分校瓦爾特(Peter Walter)也加入研究行列。

1993年，森和俊和瓦爾特兩個(gè)團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)篩選到酵母未折疊蛋白應(yīng)答過程第一個(gè)關(guān)鍵分子——肌醇需求蛋白1(Ire1)[12-13]。Ire1是一種蛋白激酶，定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)側(cè)感知未折疊蛋白，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外側(cè)(細(xì)胞質(zhì)側(cè))激活下游分子。1996年，兩小組又鑒定出Hac1，并證明它以一種獨(dú)特的方式參與UPR。一般蛋白激酶通過催化自身或下游蛋白磷酸化而發(fā)揮生物活性，激活的Ire1卻詭異地產(chǎn)生一個(gè)RNA內(nèi)切酶結(jié)構(gòu)域，將無翻譯活性的Hac1的mRNA中間部分準(zhǔn)確切除，隨后借助一種tRNA連接酶將兩端連接，產(chǎn)生成熟mRNA并翻譯出Hac1蛋白(圖13)。Hac1是一種轉(zhuǎn)錄因子，可進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)節(jié)URP相關(guān)基因表達(dá)，從而啟動(dòng)應(yīng)答。后續(xù)研究表明，UPR過程在酵母和哺乳動(dòng)物中高度保守，因此酵母結(jié)果為其他研究提供重要借鑒。

未折疊蛋白應(yīng)答是生物在不利環(huán)境下通過調(diào)整基因表達(dá)模式和代謝變化來維持內(nèi)穩(wěn)態(tài)而增加適應(yīng)性的機(jī)制，因此在細(xì)胞發(fā)育、分化、激素分泌和抗體生成等過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未折疊蛋白應(yīng)答異?？蓪?dǎo)致糖尿病、肥胖、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等多種疾病的發(fā)生。森和俊和瓦爾特也憑借這一奠基性的貢獻(xiàn)獲得許多重大獎(jiǎng)項(xiàng)，包括2014年美國(guó)拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)等。

圖13 酵母未折疊蛋白應(yīng)答

4.7 細(xì)胞生長(zhǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

自然界的生物時(shí)刻面臨各種環(huán)境脅迫如溫度變化、營(yíng)養(yǎng)狀況等影響，因此機(jī)體如何感知外界環(huán)境信息并傳遞到細(xì)胞內(nèi)以啟動(dòng)相應(yīng)應(yīng)答機(jī)制是基本的科學(xué)問題之一。瑞士細(xì)胞生物學(xué)家霍爾(Michael Nip Hall)決定以酵母為材料研究該問題?；魻枏乃幬锓肿尤胧?，探索實(shí)驗(yàn)室常用免疫抑制劑環(huán)孢菌素、雷帕霉素(rapamycin)和FK506等對(duì)酵母生長(zhǎng)的影響。借助成熟的酵母遺傳學(xué)技術(shù)，霍爾篩選到針對(duì)三種化合物產(chǎn)生抗性的酵母突變體，并進(jìn)一步分析這些突變體確定它們的作用靶點(diǎn)。1991年，霍爾小組從酵母中鑒定出兩種雷帕霉素靶點(diǎn)(target of rapamycin，TOR)，分別命名TOR1和TOR2[14]。正常情況下它們作為酵母細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂和自噬等過程的核心調(diào)節(jié)蛋白。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，TOR是一種細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶，一方面感知環(huán)境營(yíng)養(yǎng)狀況(如氨基酸缺乏等)，一方面則通過催化下游底物磷酸化最終控制細(xì)胞增殖(圖14)。不久，幾家研究小組同時(shí)從哺乳動(dòng)物中鑒定出酵母TOR同源蛋白，稱為mTOR(mammalian TOR)。抑制mTOR活性可降低免疫應(yīng)答，1999年，雷帕霉素被FDA批準(zhǔn)用作器官移植中排斥反應(yīng)抑制劑。mTOR活性還被生長(zhǎng)因子和胰島素信號(hào)等激活，抑制mTOR活性具有類似卡路里限制效應(yīng)，因此雷帕霉素飼養(yǎng)小鼠具有延長(zhǎng)壽命的功效?；魻栍捎诮湍窽OR的重大發(fā)現(xiàn)而榮獲多項(xiàng)科學(xué)大獎(jiǎng)，包括美國(guó)生命科學(xué)突破獎(jiǎng)(2014年)和加拿大蓋爾德納國(guó)際獎(jiǎng)(2015年)等。

圖14 霍爾與酵母TOR

4.8 DNA損傷應(yīng)答

外界環(huán)境可造成生物DNA損傷和突變，而生物體有一套完整的DNA修復(fù)機(jī)制以減少DNA突變，從而引發(fā)一個(gè)基本科學(xué)問題：機(jī)體如何感知DNA損傷并啟動(dòng)修復(fù)應(yīng)答？美國(guó)遺傳學(xué)家埃利奇(Stephen Joseph Elledge)借助酵母為材料揭開了這一謎團(tuán)。

埃利奇在讀博士期間研究細(xì)菌DNA損傷及修復(fù)，進(jìn)入斯坦福大學(xué)開展博士后研究時(shí)決定拓展到真核生物，并選擇酵母作為模式。埃利奇最初想在酵母中尋找細(xì)菌DNA損傷修復(fù)同源基因，卻意外發(fā)現(xiàn)一種酵母獨(dú)有DNA損傷基因——核糖核苷酸還原酶2(ribonucleotide reductase 2，Rnr2)，并發(fā)現(xiàn)DNA損傷后Rnr2基因表達(dá)急劇增加，因此Rnr2基因表達(dá)增強(qiáng)與否就成為衡量酵母感知DNA損傷的重要指標(biāo)。埃利奇借此從大量酵母突變體中篩選到特定DNA損傷應(yīng)答缺失體，進(jìn)一步鑒定出多種DNA損傷應(yīng)答相關(guān)基因。最早鑒定出一種可進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮作用的蛋白激酶DUN1[15]，并且其磷酸化程度對(duì)應(yīng)答基因表達(dá)具有重要影響，從而證明蛋白磷酸化修飾參與DNA損傷應(yīng)答。埃利奇隨后又鑒定出多種蛋白激酶，最著名的如Mec1等，后續(xù)證明Mec1與人DNA損傷相關(guān)因子ATM高度同源，特別是廣泛研究后表明酵母和人的整個(gè)應(yīng)答過程基本一致(圖15)。埃利奇的先驅(qū)性貢獻(xiàn)極大拓展了對(duì)真核生物DNA損傷應(yīng)答的理解和認(rèn)識(shí)，為許多疾病如癌癥等的治療提供了新選擇。埃利奇已獲蓋爾德納國(guó)際獎(jiǎng)(2013年)、拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(2015年)和生命科學(xué)突破獎(jiǎng)(2016年)等。

圖15 酵母DNA損傷應(yīng)答

4.9 組蛋白調(diào)控功能

組蛋白是染色體基本組分之一。20世紀(jì)80年代前，主流觀點(diǎn)普遍認(rèn)為其僅僅參與染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，而不具有其他功能，是一種“惰性”物質(zhì)。1975年，格倫斯坦(Michael Grunstein)開始研究組蛋白的作用，并最終選定酵母作為模式生物。

格倫斯坦采用基因突變使酵母組蛋白功能完全缺失造成酵母致死，然而這一結(jié)果無法判斷是因?yàn)榻M蛋白影響基因表達(dá)還是破壞染色體結(jié)構(gòu)造成的。格倫斯坦改變策略，將組蛋白H4的 N端部分氨基酸去除，觀察發(fā)現(xiàn)染色體無明顯結(jié)構(gòu)異常，酵母也可正常生存，但有性生殖能力喪失[16]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，原本影響正常生殖的沉默基因被重新激活，造成生殖紊亂，從而說明組蛋白H4的N端具有轉(zhuǎn)錄抑制作用(圖16)。這是首次在活體內(nèi)證明組蛋白與基因表達(dá)之間的因果關(guān)系。格倫斯坦研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)組蛋白H4的N端賴氨酸乙酰化后，原本的抑制作用消失，部分沉默基因出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄激活，從而說明組蛋白乙?；哂修D(zhuǎn)錄激活效應(yīng)。1996年，兩個(gè)小組鑒定出可逆組蛋白乙酰化對(duì)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)作用，驗(yàn)證了格倫斯坦結(jié)果的正確性。組蛋白翻譯后修飾是重要的表觀修飾方式，在基因表達(dá)調(diào)節(jié)、異染色體形成等多個(gè)方面發(fā)揮重要作用，其異?？稍斐砂┌Y、糖尿病等多種疾病的發(fā)生。格倫斯坦在組蛋白表觀調(diào)節(jié)領(lǐng)域做出了一系列奠基性的貢獻(xiàn)。

圖16 格倫斯坦與酵母組蛋白調(diào)控

4.10 其他

酵母還有其他應(yīng)用，如：卡路里限制與長(zhǎng)壽，組蛋白去甲基化酶Sir2的長(zhǎng)壽作用；酵母還成為帕金森綜合征等的研究模型；蛋白質(zhì)相互作用的酵母雙雜交體系等。限于篇幅，這里不再拓展。

5 前景與展望

模式生物是大多數(shù)生命科學(xué)研究不可或缺的一環(huán)，選擇一種理想的模式生物往往是成功的開始。至今，酵母作為模式研究已獲近十項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，而且還有多項(xiàng)成果有望將來登頂，突顯了酵母對(duì)生命科學(xué)發(fā)展的重要推動(dòng)作用。當(dāng)然，作為單細(xì)胞的酵母也有不足之處，它主要用作研究一些基礎(chǔ)生命科學(xué)問題，如細(xì)胞生物學(xué)，原因在于酵母本身就是一個(gè)細(xì)胞，而對(duì)多細(xì)胞生物的一些復(fù)雜問題如學(xué)習(xí)記憶、器官發(fā)生等問題則基本無效?？傊?，酵母作為一種模式生物發(fā)揮了自身巨大的科研價(jià)值，隨著新技術(shù)和新理論的出現(xiàn)，酵母的應(yīng)用范圍會(huì)更廣泛。

(2017年2月22日收稿)

[1] SZYBALSKI W. My road to ?jvind Winge, the father of yeast genetics [J]. Genetics, 2001, 158(1): 1-6.

[2] FANTES P A, HOFFMAN C S. A brief history of Schizosaccharomyces pombe research: a perspective over the past 70 years [J]. Genetics, 2016, 203(2): 621-629.

[3] HARDEN A, YOUNG W J. The alcoholic ferment of yeast-juice. Part II. The conferment of yeast-juice [J]. Proc R Soc B, 1996, 78(526): 369-375.

[4] HOLLEY R W, APGAR J, EVERETT G A, et al. Structure of a ribonucleic acid [J]. Science, 1965, 147(3664): 1462-1465.

[5] CRAMER P, BUSHNELL D A, KORNBERG R D. Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 angstrom resolution [J]. Science, 2001, 292(5523): 1863-1876.

[6] HARTWELL L H, CULOTTI J, REID B. Genetic control of the celldivision cycle in yeast. I. detection of mutants [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1970, 66(2): 352-359.

[7] LEE M G, NURSE P. Complementation used to clone a human homologue of the fi ssion yeast cell cycle control gene cdc2 [J]. Nature, 1987, 327(6117): 31-35.

[8] SZOSTAK J W, BLACKBURN E H. Cloning yeast telomeres on linear plasmid vectors [J]. Cell, 1982, 29(1): 245-255.

[9] NOVICK P, SCHEKMAN R. Secretion and cell-surface growth are blocked in a temperature-sensitive mutant of Saccharomyces cerevisiae [J]. Proc Natl Acad Sci USA, 1979, 76(4): 1858-1862.

[10] TAKESHIGE K, BABA M, TSUBOI S, et al. Autophagy in yeast demonstrated with proteinase-def i cient mutants and conditions for its induction [J]. J Cell Biol, 1992, 119(2): 301-311.

[11] CHENG M Y, HARTL F U, MARTIN J, et al. Mitochondrial heatshock protein hsp60 is essential for assembly of proteins imported into yeast mitochondria [J]. Nature, 1989, 337(6208): 620-625.

[12] COX J S, SHAMU C E, WALTER P. Transcriptional induction of genes encoding endoplasmic reticulum resident proteins requires a transmembrane protein kinase [J]. Cell, 1993, 73(6): 1197-1206.

[1]3 MORI K, MA W, GETHING M J, et al. A transmembrane protein with a cdc2+/CDC28-related kinase activity is required for signaling from the ER to the nucleus [J]. Cell, 1993, 74(4): 743-756.

[14] HEITMAN J, MOVVA N R, HALL M N. Targets for cell cycle arrest by the immunosuppressant rapamycin in yeast [J]. Science, 1991, 253(5022): 905-909.

[15] ZHOU Z, ELLEDGE S J. DUN1 encodes a protein kinase that controls the DNA damage response in yeast [J]. Cell, 1993, 75(6): 1119-1127.

[16] KAYNE P S, KIM U J, HAN M, et al. Extremely conserved histone H4 N terminus is dispensable for growth but essential for repressing the silent mating loci in yeast [J]. Cell, 1988, 55(1): 27-39.

(編輯：沈美芳)

Magical yeast, ideal model

GUO Xiaoqiang①②, HUANG Weiren①
①Shenzhen Second People’s Hospital, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; ②Shenzhen Hospital, Peking University, Shenzhen 518036, Guangdong Province, China

Yeast is a unicellular eukaryote and become an important experimental organism in biochemistry, genetics and cell biology on the basis of its many advantages. In vitro experiment, cell-free yeast system plays an important role in enzyme function, enzyme composition, coenzyme characteristics, tRNA structure, eukaryotic transcription, and so on. As a model organism, yeast also played a fundamental contribution in many great discoveries including cell cycle, vesicular transport, cell autophagy, telomere protection, protein folding, unfolded protein response, DNA damage response, target of rapamycin and histone regulation. Many scientists won the Nobel Prize for these discoveries. In this article, the application and signif i cance of yeast in scientif i c researches are introduced.

yeast, model organism, cell-free system, genetics, cell biology, Nobel Prize

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.03.008

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2014CB745201)和河北省自然科學(xué)基金(H2014205082)資助

?通信作者，E-mail: xiaoqiangguo123@163.com