因釀酒酵母與同為真核生物的動物和植物細胞具有很多相同的結構,又容易培養,酵母被用作研究真核生物的模式生物。自1996年以來,釀酒酵母作為真核模式生物已經完成了全基因組測序、轉錄組分析、蛋白質相互作用網絡圖以及代謝功能圖譜等工作。在眾多的模式生物中,對釀酒酵母的研究最為深入,且最為廣泛地被運用到各個領域。作為模式生物的先驅,釀酒酵母的優勢在以下兩個方面的應用尤為突出。
(1) 釀酒酵母作為模式生物在外源基因功能鑒定中的應用 [16]
釀酒酵母基因組小,生命周期短,繁殖快速,再加上實驗操作上更簡易,具有簡便的平板影印能力,非常適合遺傳周期短,繁殖快速,再加上實驗操作上更簡易,具有簡便的平板影印能力,非常適合遺傳學上的分析研究。同時,釀酒酵母具有穩定的單倍體和二倍體細胞,在實驗條件下,釀酒酵母的二倍體和單倍體這兩種狀態可以相互轉換。在眾多的模式生物中,這是釀酒酵母較為突出的優點,這在基因功能鑒定上的應用尤為重要。目前,釀酒酵母基因轉化與性狀互補已經被廣泛地應用到確定新外源基因的功能中。理論上,與任何一種遺傳學特征相對應的不同生物的結構基因都可以通過質粒文庫的互補作用,而在釀酒酵母缺失突變體中得到鑒定。研究表明,利用整合型質粒(Yip 型),可以精確地對釀酒酵母基因組中的任意基因進行置換,并可以通過孢子繁殖中的四分體分析技術,有效地進行相關基因功能的觀測和研究。另外,也可以將外源基因克隆于釀酒酵母表達載體上,轉化野生型或突變型酵母菌株,通過觀察醇母的表型變化來推測該基因的生物學功能。例如,科學家將玉米中可能編碼脂肪酸脫氫酶的基因fad2導入野生型的酵母細胞中,利用基因表達技術,發現帶有玉米基因的野生型酵母中出現了相應的不飽和脂肪酸,證明該基因具有編碼脂肪酸脫氫酶的功能。
(2)釀酒酵母作為模式生物在人類基因功能研究中的應用
釀酒酵母作為單細胞真核生物,具有和動植物細胞相似的結構特征,包括細胞核,內質網,高爾基體,線粒體,過氧化物酶體,細胞骨架等,而且其細胞生長發育過程和動植物細胞也有很高的相似性,很多基因在酵母和動植物細胞中是高度保守的。而且,酵母細胞很容易進行生物化學和分子生物學操作,因此,酵母是基因功能研究中常用的模式生物。作為模式生物,釀酒酵母在人類基因功能研究上做出了很大的貢獻,若一個未知功能的人類基因通過功能互補實驗能夠補償釀酒酵母當中某一個已知功能的突變基因,那么,這個未知功能的人類基因與已知功能的釀酒酵母突變基因之間就具有相似的功能。例如,這個未知功能的人類基因與已知功能的釀酒酵母突變基因之間就具有相似的功能。例如,人類有3個基因與半乳糖血癥有關,它們分別是CALT (UDP-半乳糖轉移酶)、CALK2(半乳糖激酶)以及GALE (UDP-半乳糖異構酶),相對應的,它們分別能補償釀酒酵母中相應的GAL7、GAL1、 GAL10這3個基因的突變。利用釀酒酵母這種模式生物與人類基因之間的功能互補實驗,兩者越來越多的相關基因在遺傳學水平上被驗證。現在已經發現71對釀酒酵母與人類的互補基因,其中20個基因與基礎代謝有關,16個與基因表達有關,1個與蛋白質運輸有關,7個與DNA的合成修復有關,7個與信號轉導相關,17 個與細胞周期有關。實驗表明,在人類的遺傳疾病中能夠檢測到接近50%的蛋白質和釀酒酵母蛋白質在氨基酸序列上具有一定的相似性,所以,人們能夠較為合理地推測大部分的酵母蛋白質可以在人的蛋白質組當中找到相應同源物。最終根據釀酒酵母蛋白質組成員之間在結構以及功能上的等同性對人類的蛋白質做出分析。
作為一種重要的模式生物,釀酒酵母可以幫助人們鑒定更多影響衰老的哺乳動物基因。由于釀酒酵母很容易進行遺傳學操作和高通量篩選,它將繼續作為研究人類衰老和相關疾病的理想模型。