[论文解读] Morphology, cell division, and viability of Saccharomyces cerevisiae at high hydrostatic pressure

Khanh Nguyen, Steven Murray+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Microbial Inactivation Methods参考文献 35被引用 5

一句话总结

本研究定量研究了高达70 MPa的高静水压对*Saccharomyces cerevisiae*的影响，发现压力通过G1期细胞周期阻滞抑制出芽，并诱导细胞凋亡和坏死。通过自动化图像分析与连续体模型，研究显示细胞大小和椭圆度随压力升高而降低，而出芽指数系统性下降，表明细胞分裂受到压力依赖性抑制。

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.

研究动机与目标

• 定量理解高静水压对真核模式生物* Saccharomyces cerevisiae*细胞分裂、形态和活力的影响。
• 研究压力诱导的细胞周期阻滞和细胞死亡的潜在机制。
• 开发一个连续体现象学模型，以描述压力对出芽周期的影响。
• 确定适合在酵母中开展适应性进化实验的压力-温度条件。
• 表征高压力暴露下细胞的形态变化，包括细胞大小和偏心率。

提出的方法

• 采用自动化图像分析技术，量化多个压力水平下出芽指数（细胞周期进展的指标）。
• 基于微分方程开发连续体现象学模型，描述压力下出芽细胞与非出芽细胞的动力学行为。
• 利用延时显微镜和高压腔室，监测0至70 MPa压力下活细胞的形态与分裂行为。
• 应用流式细胞术与荧光染色检测凋亡标志物（如磷脂酰丝氨酸外翻、染色质浓缩）及坏死性细胞死亡。
• 测量细胞大小与偏心率的变化，作为压力下形态变形的指标。
• 利用常微分方程组分析长期群体动态，建模非出芽细胞与出芽细胞的比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 高静水压如何影响* Saccharomyces cerevisiae*的出芽指数与细胞周期进展？
• RQ2 随着静水压升高，酵母细胞的形态变化如何，特别是细胞大小和形状（偏心率）的变化？
• RQ3 在长时间高静水压暴露下，酵母细胞死亡的主要模式是凋亡还是坏死？
• RQ4 现象学连续体模型能否准确描述酵母群体中出芽行为的压力依赖性动态？
• RQ5 在何种压力-温度条件下，* Saccharomyces cerevisiae*能维持足够长的活力以支持适应性进化实验？

主要发现

• 随着静水压升高，* Saccharomyces cerevisiae*的出芽指数下降，表明细胞分裂受到抑制，主要机制为G1期细胞周期阻滞。
• 细胞大小与偏心率（衡量细胞形状偏离椭圆程度的指标）均随压力升高而降低，表明形态逐渐简化。
• 在压力超过50 MPa后，细胞死亡概率显著出现，且在极高压力下，坏死性死亡比凋亡更占主导。
• 观察到早期和晚期凋亡的证据，包括染色质浓缩与磷脂酰丝氨酸外翻，提示压力可能引起DNA损伤或膜功能障碍。
• 出芽动力学的连续体模型预测，在长时间极限下，非出芽细胞与出芽细胞的比例趋于稳定，且仅取决于速率常数，与初始条件无关。
• 确定50–70 MPa、37°C的条件为启动* Saccharomyces cerevisiae*适应性进化实验的可行窗口。