BeerSci：啤酒的关键成分揭示了我们自己的基因组

认识一下酿酒酵母，这是一种不起眼的啤酒酵母，也是 BeerSci 酿酒事业的常驻伙伴。

数千年来，人类一直在利用酿酒酵母的发酵能力。没有它，我们就没有啤酒、面包或葡萄酒。除了用于食品生产外，酿酒酵母还是分子和细胞生物学的神奇工具，它可以帮助科学家了解细胞的工作规则，并获得分子水平上发生问题时会发生什么的线索。

我们对真核细胞过程和真核基因表达的大部分理解都是通过研究酿酒酵母获得的。

这是因为酿酒酵母是最简单的真核细胞之一，就像构成你的狗、室内植物或当地调酒师的细胞一样。事实上，1996 年，酿酒酵母成为第一个基因组测序的真核生物。根据酿酒酵母基因组数据库，酿酒酵母的基因组有大约 12,100,000 个碱基对和大约 6,600 个开放阅读框（即基因组中可能包含基因的位置）。

我相信你们中的大多数人都记得，细胞有两种：原核细胞和真核细胞。也就是说，“没有细胞核”和“有细胞核”。这都是事实，但这两种细胞之间的差异远不止于此。细菌——原核生物——以与真核生物完全不同（且简单得多）的方式组织它们的遗传物质。原核生物通常只有一段 DNA 作为基因组——通常是环状的——以及一些额外的片段，称为质粒，在细胞质中游走。这些质粒在细菌之间共享基因等方面非常有用，一种抗生素耐药性菌株可以将抗生素耐药性传递给一堆几乎不相关的细菌菌株，比如你的肠道。细菌中的基因通常与 DNA 中的基因完全相同，就像你读这句话一样。没有中间的字母块来扰乱一切。

另一方面，真核生物将所有 DNA（它们有很多）捆绑成一种蛋白质-DNA 复合物，称为染色质，然后将染色质卷成单个染色体。此外，基因的构造方式使得它们必须经过大量处理才能“编码”功能性蛋白质。我们对真核细胞过程和真核基因表达的大部分了解，都是通过研究酿酒酵母的分子力学而获得的。

我为什么要谈论这些？/因为当我研究酿酒酵母基因组以找出哪些基因位点或其他因素决定了英国啤酒酵母的酯类产生特性或赛松酵母的耐热性和高衰减特性时，我发现了一些很酷的东西，我想把它写出来。我在 2010 年 5 月 20 日的《自然》杂志上找到了一篇文章，其中描述了华盛顿大学的生物学家和计算机科学家如何确定染色体在正常酵母细胞中的排列方式以及这种组织方式如何影响基因表达。最终，这可能会对我们如何理解人类基因表达产生影响。

背景介绍：过去十年左右最令人惊讶的发现之一是，影响生物体物理和化学组成的不仅仅是基因上的内容，还有这些基因在染色质中的包装方式。对于一个多世纪以来一直认为基因为王的领域来说，这是一个疯狂的结果，也是我最近记忆中最喜欢的结果之一。

但事实证明，不仅基因包装很重要，染色体在细胞核中的位置也很重要。这样想：如果你有一台复印机和一定的时间，你很可能会复印离你最近的文件，而不是把机器拖到办公室对面去复印很远的东西。这就是染色体组织的作用——如果两个基因最终在细胞核中相距一半，那么在“基因组”的线性链上，它们是否靠得比较近并不重要。相反，两个完全不同的染色体上的区域是否在细胞核中彼此紧密相邻也很重要——你可以从彼此相邻的染色体区域获得大量基因产物的拷贝。该论文详细介绍了研究人员如何使用一种相对较新的方法查看所有空间相邻的染色体位点，从而创建这些相互作用的 DNA 文库，然后绘制和模拟酿酒酵母细胞核中的 16 条染色体如何相互作用。

我与论文作者之一 William Noble 就该方法和结果进行了交谈。这项研究最令人惊讶（最初也令人担忧）的结果之一是 XII 染色体与其他染色体的不同之处。数据显示，与其他染色体不同，XII 染色体有一大片区域几乎不与其他染色体相互作用。Noble 表示，他和负责分析的同事担心数据中存在人为因素，导致 XII 染色体看起来不同，但实际上并非如此。但进一步的审查发现了答案：与所有其他染色体不同，XII 染色体部分位于称为核仁的大型结构中，核糖体 RNA 就是在这里制造的。核仁就像一道屏障，使染色体的臂无法靠近彼此——就像在没有神探加杰特伸缩臂的情况下很难给相扑选手一个熊抱一样。

研究人员还发现，染色体之间的大多数相互作用发生在着丝粒附近的位点。而且，也许并不令人惊讶的是，已知的编码 tRNA 的位点，无论它们位于染色体的哪个位置，都倾向于聚集成簇，并且其中一个簇位于核仁中。tRNA 基因聚集在发生主动翻译和蛋白质合成的区域是有道理的。

在我们讨论完论文的发现之后，诺布尔和我讨论了可能的影响。其他研究表明（这项研究也证实了这些研究），细胞核排序——染色体如何在细胞核中自我排列——实际上确实会影响基因在生物体日常生活中的表达方式。“你是基因的产物吗”背后的故事正变得越来越模糊。类似的研究已经针对其他基因组（包括人类基因组）进行了研究，但由于这些基因组庞大而复杂，因此不可能获得华盛顿大学研究小组在芽殖酵母上获得的相同分辨率。

我知道，这些都与酿酒无关。但就像掉进维基百科的坑里有时会有有趣的发现一样，翻阅数十篇有关酵母基因组的科学论文也会带来一些其他有趣的发现。

回到啤酒酿造，这里有一个类似于啤酒酿造配方的配方，大约在欧洲科学家重新发现格雷戈尔孟德尔关于“离散遗传单位”的研究的同时酿造。我们模仿了 Pretty Things Ale Project 于 1901 年 11 月 15 日酿造的 KK，而 KK 本身是基于同名日在伦敦酿造的啤酒配方。这是一个部分麦芽浆配方，因为 BeerSci 团队没有设备在 5 加仑全谷物批次中达到 1.079 的目标比重。

原料
4 磅 Maris Otter
1磅棕色麦芽
10 盎司水晶 120
6 盎司水晶 80
1 盎司巧克力麦芽
4 磅超轻 DME
2磅倒置3号

熄火时添加 2.5 磅 DME，以降低沸腾重力并提高啤酒花的利用率。
1.5 盎司 East Kent Golding 和 0.15 盎司 Centennial — 90 分钟
1.5 盎司 East Kent Golding 和 0.5 盎司 Bramling Cross — 60 分钟
1.5 盎司 East Kent Golding 和 1.5 盎司 Bramling Cross — 30 分钟
怀伊斯特伦敦 III (1318)

指示
两周后将其倒入架子中，并在二级酒坛中分别加入 1 盎司 EKG 和 Bramling Cross 进行干投酒花。

这款啤酒的颜色最终比作为其灵感来源的 1901 年 11 月 15 日 KK 啤酒要浅（颜色更偏向巧克力棕色而不是深棕色），但它仍然是一款酒精度为 8.1% 的优质冬季啤酒。

下周：大麦基因组破译！
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