[논문 리뷰] Morphology, cell division, and viability of Saccharomyces cerevisiae at high hydrostatic pressure

Khanh Nguyen, Steven Murray외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 01.

Microbial Inactivation Methods참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고압(최대 70 MPa)이 *Saccharomyces cerevisiae*에 미치는 영향을 정량적으로 조사하여, 압력이 G1 세포주기 정지에 의해 분열을 억제하고, 암세포 사멸(apoptosis)과 난세포 사멸(necrosis)을 유도함을 밝혀냈다. 자동화된 영상 분석과 연속체 모델을 사용하여 세포 크기와 타원도가 압력 증가에 따라 감소하고, 분열 지수(budding index)가 체계적으로 감소함을 보여주어, 세포 분열이 압력에 따라 억제됨을 시사한다.

ABSTRACT

High hydrostatic pressure is commonly encountered in many environments, but the effects of high pressure on eukaryotic cells have been understudied. To understand the effects of hydrostatic pressure in the model eukaryote, Saccharomyces cerevisiae, we have performed quantitative experiments of cell division, cell morphology, and cell death under a wide range of pressures. We developed an automated image analysis method for quantification of the yeast budding index - a measure of cell cycle state - as well as a continuum model of budding to investigate the effect of pressure on cell division and cell morphology. We find that the budding index, the average cell size, and the eccentricity - a measure of how much the cell morphology varies from the being elliptical - of the cells decrease with increasing pressure. Furthermore, high hydrostatic pressure led to the small but finite probability of cell death via both apoptosis and necrosis. Our experiments suggest that decrease of budding index arises from cellular arrest or death at the cell cycle checkpoints during different stages of cell division.

연구 동기 및 목표

• 고등진핵생물 모델 생물인 *Saccharomyces cerevisiae*에서 고압이 세포 분열, 형태, 생존율에 미치는 영향를 정량적으로 이해하는 것.
• 효모에서 압력 유도 세포주기 정지 및 세포 사멸의 메커니즘을 조사하는 것.
• 분열 주기의 압력 의존적 동역학을 기술하기 위한 연속체 현상학적 모델을 개발하는 것.
• 효모에서 적응 진화 실험을 위한 적합한 압력-온도 조건을 규명하는 것.
• 고압 노출 하에서의 형태 변화, 특히 세포 크기와 타원도(eccentricity)를 특성화하는 것.

제안 방법

• 다양한 압력 수준에서 세포주기 진행도를 측정하는 지표인 분열 지수를 정량화하기 위해 자동화된 영상 분석을 사용하였다.
• 압력 하에서 분열 세포와 비분열 세포의 역학을 기술하기 위해 미분방정식 기반의 연속체 현상학적 모델을 개발하였다.
• 시간에 따른 영상 촬영과 고압 챔버를 활용하여 0~70 MPa의 압력에서 살아있는 세포의 형태와 분열을 모니터링하였다.
• 유세포 분석 및 형광 염색을 적용하여 조혈세포 사멸(예: 인지질세린 외부화, 염색체 응집)과 난세포 사멸을 탐지하였다.
• 세포 크기와 타원도의 변화를 압력에 의한 형태 변형의 지표로 측정하였다.
• 비선형 미분방정식 시스템을 사용하여 비분열 세포와 분열 세포의 비율을 모델링함으로써 장기적 인구 역학을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압이 *Saccharomyces cerevisiae*의 분열 지수와 세포주기 진행에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ2 점차 증가하는 고압 하에서 효모 세포의 형태 변화는 무엇인가? 특히 크기와 형태(타원도) 측면에서 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장기적인 고압 노출 하에서 효모에서 우세한 세포 사멸 방식은 무엇인가? (조혈세포 사멸 대비 난세포 사멸)
• RQ4 현상학적 연속체 모델이 효모 인구에서의 분열 동역학을 압력 의존적으로 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ5 *S. cerevisiae*가 적응 진화 실험을 지속할 수 있을 정도로 충분히 생존할 수 있는 압력-온도 조건는 무엇인가?

주요 결과

• *S. cerevisiae*의 분열 지수가 압력 증가에 따라 감소하여, 주로 G1 단계에서의 세포주기 정지로 인해 세포 분열이 억제됨을 나타낸다.
• 세포 크기와 타원도(eccentricity, 타원형에서의 형태 이탈 정도를 측정하는 지표)가 모두 압력 증가에 따라 감소하여, 점진적인 형태 단순화가 일어남을 시사한다.
• 50 MPa 이상의 압력에서는 유한한 확률로 세포 사멸이 발생하며, 매우 높은 압력에서는 난세포 사멸이 조혈세포 사멸보다 더 우세해진다.
• 조혈세포 사멸의 조기 및 만기 단계 증거로 염색체 응집과 인지질세린 외부화가 관찰되어, 압력에 의해 유도된 DNA 손상 또는 세포막 기능 장애가 있을 가능성이 제기된다.
• 분열 동역학의 연속체 모델은 장기적 한계에서 비분열 세포 대 분열 세포의 비율이 고정되며, 이는 속도 상수에만 의존하고 초기 조건에는 영향을 받지 않는다는 것을 예측한다.
• 37°C에서 50–70 MPa의 압력 범위는 *S. cerevisiae*에서 적응 진화 실험을 시작하기 위한 실현 가능한 창구로 규명되었다.