La levadura Saccharomyces cerevisiae es un eucariota unicelular simple con un modo de existencia tanto diploide como haploide . El apareamiento de levadura sólo se produce entre haploides, que puede ser o bien la una o α (alfa) tipo de apareamiento y por lo tanto mostrar sencilla diferenciación sexual . [1] El tipo de apareamiento está determinado por un solo locus , MAT , que a su vez gobierna el comportamiento sexual de las células haploides y diploides. A través de una forma de recombinación genética , la levadura haploide puede cambiar el tipo de apareamiento tan a menudo como en cada ciclo celular..
Tipo de apareamiento y ciclo de vida de Saccharomyces cerevisiae
S. cerevisiae (levadura) puede existir de forma estable como diploide o haploide. Tanto las células de levadura haploides como las diploides se reproducen por mitosis , y las células hijas brotan de las células madre. Las células haploides son capaces de aparearse con otras células haploides del tipo de apareamiento opuesto ( una célula a solo puede aparearse con una célula α, y viceversa) para producir una célula diploide estable. Las células diploides, generalmente al enfrentar condiciones estresantes como el agotamiento de nutrientes, pueden sufrir meiosis para producir cuatro esporas haploides : dos esporas a y dos esporas α.
Diferencias entre las células a y α
Las células a producen un ' factor a', una feromona de apareamiento que señala la presencia de una célula a a las células α vecinas. Las células a responden al factor α, la feromona de apareamiento de las células α, haciendo crecer una proyección (conocida como shmoo, debido a su forma distintiva que se asemeja al personaje de dibujos animados de Al Capp , Shmoo ) hacia la fuente del factor α. Del mismo modo, las células alfa producen α-factor de, y responder a un factor a por el crecimiento de una proyección hacia la fuente de la feromona. La respuesta de las células haploides sólo a las feromonas de apareamiento del tipo de apareamiento opuesto permite el apareamiento entre una y alfa células, pero no entre células del mismo tipo de apareamiento.
Estos fenotípicas diferencias entre una y alfa células se deben a un conjunto diferente de genes siendo activamente transcrito y reprimidos en las células de los dos tipos de apareamiento. Las células a activan genes que producen un factor α y producen un receptor de superficie celular (Ste2) que se une al factor α y desencadena la señalización dentro de la célula. Las células a también reprimen los genes asociados con ser una célula α. Del mismo modo, las células alfa activan genes que producen α-factor de y producen un receptor de superficie celular (Ste3) que se une y responde a un factor g, y las células alfa reprimen los genes asociados con ser un una célula.
El locus MAT
Los diferentes conjuntos de represión y activación transcripcionales que caracterizan a las células ay α son causados por la presencia de uno de los dos alelos de un locus llamado MAT : MAT a o MATα ubicado en el cromosoma III. El locus MAT generalmente se divide en cinco regiones (W, X, Y, Z1 y Z2) según las secuencias compartidas entre los dos tipos de apareamiento. La diferencia radica en la región Y (Y a y Yα), que contiene la mayoría de genes y promotores.
El MAT un alelo de MAT codifica un gen llamado un 1, que en haploides dirigen la transcripción de la de un programa transcripcional específico de (tal como la expresión de STE2 y reprimiendo STE3 ) que define un una célula. El alelo MATα de MAT codifica los genes α1 y α2, que en los haploides dirigen la transcripción del programa transcripcional α-específico (como expresar STE3 , reprimir STE2 ) que hace que la célula sea una célula α. [2] S. cerevisiae tiene un un gen 2 sin función aparente que comparte gran parte de su secuencia con α2; sin embargo, otras levaduras como Candida albicans tienen un gen MAT a 2 funcional y distinto . [3] [4]
Diferencias entre células haploides y diploides
Las células haploides son uno de los dos tipos de apareamiento ( a o α) y responden a la feromona de apareamiento producida por las células haploides del tipo de apareamiento opuesto, y pueden aparearse con células del tipo de apareamiento opuesto. Las células haploides no pueden sufrir meiosis . Las células diploides no producen ni responden a ninguna de las feromonas de apareamiento y no se aparean, pero pueden sufrir meiosis para producir cuatro células haploides.
Al igual que las diferencias entre haploide una y las células alfa, diferentes patrones de la represión de genes y la activación son responsables de las fenotípicas diferencias entre las células haploides y diploides. Además de la específica un patrones y α transcripcional, las células haploides de ambos tipos de apareamiento comparten un patrón transcripcional haploide que activa genes específicos haploide (tales como HO ) y reprime diploide específica genes (como IME1 ). De manera similar, las células diploides activan genes específicos de diploides y reprimen genes específicos de haploides.
Los diferentes patrones de expresión génica de haploides y diploides se deben nuevamente al locus MAT . Las células haploides solo contienen una copia de cada uno de los 16 cromosomas y, por lo tanto, solo pueden poseer un alelo de MAT (ya sea MAT a o MATα ), lo que determina su tipo de apareamiento. Las células diploides resultan del apareamiento de una célula a y una célula α y, por lo tanto, poseen 32 cromosomas (en 16 pares), incluido un cromosoma que lleva el alelo MAT a y otro cromosoma que lleva el alelo MATα . La combinación de la información codificada por el MAT un alelo (el un gen 1) y la MAT alelo (el α1 y a2 genes) se inicia el programa transcripcional diploide. De manera similar, la presencia de un solo alelo de MAT , ya sea MAT a o MATα , desencadena el programa de transcripción haploide.
Los alelos presentes en el locus MAT son suficientes para programar el comportamiento de apareamiento de la célula. Por ejemplo, usando manipulaciones genéticas , se puede agregar un alelo MAT a a una célula haploide MATα . A pesar de tener un complemento haploide de cromosomas, la célula ahora tiene los alelos MAT a y MATα , y se comportará como una célula diploide: no producirá ni responderá a las feromonas de apareamiento, y cuando muera de hambre, intentará experimentar meiosis, con resultados fatales. . De manera similar, la eliminación de una copia del locus MAT en una célula diploide, dejando solo un alelo MAT a o MATα , hará que una célula con un complemento diploide de cromosomas se comporte como una célula haploide.
Decisión de aparearse
El apareamiento en la levadura es estimulado por la presencia de una feromona que se une al receptor Ste2 (en las células a) o al receptor Ste3 (en las células α). La unión de esta feromona conduce a la activación de una proteína G heterotrimérica . La porción dimérica de esta proteína G recluta a Ste5 (y sus componentes de cascada MAPK relacionados ) a la membrana, y finalmente da como resultado la fosforilación de Fus3 .
El mecanismo de cambio surge como resultado de la competencia entre la proteína Fus3 (una proteína MAPK) y la fosfatasa Ptc1 . Ambas proteínas intentan controlar los 4 sitios de fosforilación de Ste5 , una proteína de andamio con Fus3 que intenta fosforilar los fosfositos y Ptc1 que intenta desfosforilarlos.
La presencia de factor α induce el reclutamiento de Ptc1 a Ste5 a través de un motivo de 4 aminoácidos ubicado dentro de los fosfositos de Ste5. Luego, Ptc1 desfosforila Ste5, lo que finalmente da como resultado la disociación del complejo Fus3-Ste5. Fus3 se disocia en forma de interruptor, dependiendo del estado de fosforilación de los 4 fosfositos. Los 4 fosfositos deben desfosforilarse para que Fus3 se disocie. La capacidad de Fus3 para competir con Ptc1 disminuye a medida que se recluta Ptc1 y, por lo tanto, la tasa de desfosforilación aumenta con la presencia de feromona.
Kss1, un homólogo de Fus3, no afecta el shmooing y no contribuye a la decisión de apareamiento similar a un switch.
En la levadura, el apareamiento y la producción de shmoos se producen a través de un mecanismo de cambio de todo o nada. Este mecanismo similar a un interruptor permite que las células de levadura eviten comprometerse imprudentemente con un procedimiento muy exigente. Sin embargo, la decisión de apareamiento no solo debe ser conservadora (para evitar desperdiciar energía), sino que también debe ser rápida para evitar perder a la pareja potencial.
La decisión de aparearse es extremadamente delicada. Hay 3 formas en las que se mantiene esta ultrasensibilidad:
- Fosforilación de múltiples sitios: Fus3 solo se disocia de Ste5 y se vuelve completamente activo cuando los 4 fosfositos están desfosforilados. Incluso un sitio fosforilado dará como resultado inmunidad al factor α.
- Unión en dos etapas: Fus3 y Ptc1 se unen a sitios de acoplamiento separados en Ste5. Solo después del acoplamiento pueden unirse a los fosfositos y actuar sobre ellos.
- Obstáculo estérico: competencia entre Fus3 y Ptc1 para controlar los 4 fosfositos en Ste3
Las levaduras [ay α comparten la misma vía de respuesta de apareamiento, con la única diferencia del tipo de receptor que posee cada tipo de apareamiento. Por lo tanto, la descripción anterior, dada para la levadura de tipo a estimulada con factor α, funciona igualmente bien para la levadura de tipo α estimulada con factor a.]
Conmutación de tipo de apareamiento
De tipo salvaje de levadura haploide son capaces de conmutar tipo de apareamiento entre una y α. En consecuencia, incluso si una sola célula haploide de una funda de tipo de apareamiento dado una colonia de la levadura, el tipo de conmutación de acoplamiento hará que las células de ambos unos tipos y de apareamiento α de estar presente en la población. Combinado con el fuerte impulso de las células haploides para aparearse con células del tipo de apareamiento opuesto y formar diploides, el cambio de tipo de apareamiento y el apareamiento consecuente harán que la mayoría de las células de una colonia sean diploides, independientemente de si una célula haploide o diploide fundó el colonia. La gran mayoría de las cepas de levadura estudiadas en laboratorios se han alterado de modo que no pueden realizar cambios de tipo de apareamiento (por deleción del gen HO ; [5] ver más abajo); esto permite que la propagación estable de levadura haploides, como las células haploides de la un tipo de apareamiento permanecerán a las células (y las células alfa permanecerán α células), y no se formarán diploides.
HML y HMR : los casetes de apareamiento silenciosos
La levadura haploide cambia el tipo de apareamiento reemplazando la información presente en el locus MAT . Por ejemplo, una célula a cambiará a una célula α reemplazando el alelo MAT a por el alelo MATα . Este reemplazo de un alelo de MAT para el otro es posible porque las células de levadura llevan un adicional de silenciado copia tanto de la MAT una y MAT alelos: la HML ( h omothallic m Ating l eft) locus típicamente lleva una copia silenciada de la MAT alelo, y el HMR ( h omothallic m ating r ight) locus típicamente lleva una copia silenciada de la MAT un alelo. Los loci silenciosos HML y HMR a menudo se denominan casetes de apareamiento silenciosos, ya que la información presente allí se "lee" en el locus MAT activo .
Estas copias adicionales de la información del tipo de apareamiento no interfieren con la función de cualquier alelo presente en el locus MAT porque no se expresan, por lo que una célula haploide con el alelo MAT a presente en el locus MAT activo sigue siendo una célula, a pesar de tener también una copia (silenciada) del alelo MATα presente en HML . Solo se transcribe el alelo presente en el locus MAT activo y, por lo tanto, solo el alelo presente en MAT influirá en el comportamiento celular. Los loci de tipo de apareamiento ocultos son silenciados epigenéticamente por las proteínas SIR , que forman un andamio de heterocromatina que evita la transcripción de los casetes de apareamiento silenciosos.
Mecánica del interruptor de tipo de acoplamiento.
El proceso de cambio de tipo de apareamiento es un evento de conversión genética iniciado por el gen HO . El gen HO es un gen específico para haploides estrechamente regulado que solo se activa en las células haploides durante la fase G 1 del ciclo celular . La proteína codificada por el gen HO es una endonucleasa de ADN , que escinde físicamente el ADN, pero solo en el locus MAT (debido a la especificidad de la secuencia de ADN de la endonucleasa HO).
Una vez que HO corta el ADN en MAT , las exonucleasas son atraídas por los extremos cortados del ADN y comienzan a degradar el ADN en ambos lados del sitio de corte. Esta degradación del ADN por exonucleasas elimina el ADN que codifica el alelo MAT ; sin embargo, la brecha resultante en el ADN se repara copiando la información genética presente en HML o HMR , completando un nuevo alelo del gen MAT a o MATα . Por tanto, los alelos silenciados de MAT a y MATα presentes en HML y HMR sirven como fuente de información genética para reparar el daño del ADN inducido por HO en el locus MAT activo .
Direccionalidad del interruptor de tipo de acoplamiento
La reparación del locus MAT después del corte por la endonucleasa HO casi siempre da como resultado un cambio de tipo de apareamiento. Cuando un una célula corta el MAT un alelo presente en el MAT locus, el corte en MAT casi siempre será reparado copiando la información presente en los HML . Esto da como resultado que MAT se repare al alelo MATα , cambiando el tipo de apareamiento de la célula de a a α. De manera similar, una célula de α que tiene su MAT alelo corte por la endonucleasa HO casi siempre reparar el daño usando la información presente en HMR , copiando el MAT un gen a la MAT locus y la conmutación del tipo de apareamiento de la célula de α a una .
Este es el resultado de la acción de un potenciador de recombinación (RE) [6] ubicado en el brazo izquierdo del cromosoma III. La deleción de esta región hace unos células para la reparación incorrectamente utilizando HMR. En una células, Mcm1 une al RE y promueve la recombinación de la región HML. En las células α, el factor α2 se une al RE y establece un dominio represivo sobre el RE de modo que es poco probable que se produzca la recombinación. Un sesgo innato significa que el comportamiento predeterminado es la reparación de HMR. Los mecanismos exactos de estas interacciones aún están bajo investigación.
Apareamiento y consanguinidad
Ruderfer y col. [7] analizó la ascendencia de las cepas naturales de S. cerevisiae y concluyó que los apareamientos que implican cruces externos ocurren sólo una vez cada 50.000 divisiones celulares. Por tanto, parece que, en la naturaleza, el apareamiento se produce con mayor frecuencia entre células de levadura estrechamente relacionadas. El apareamiento se produce cuando las células haploides de tipo de apareamiento opuesto MAT una y MAT entran en contacto. Ruderfer y col. [7] señaló que tales contactos son frecuentes entre células de levadura estrechamente relacionadas por dos razones. La primera es que las células del tipo de apareamiento opuesto están presentes juntas en el mismo ascus, el saco que contiene las células producidas directamente por una sola meiosis, y estas células pueden aparearse entre sí. La segunda razón es que las células haploides de un tipo de apareamiento, tras la división celular, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto con las que pueden aparearse (ver sección "Cambio de tipo de apareamiento", más arriba). La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del cruzamiento externo parece ser inconsistente con la idea de que la producción de variación genética es la fuerza selectiva primaria que mantiene la capacidad de apareamiento en este organismo. Sin embargo, este hallazgo es consistente con la idea alternativa de que la fuerza selectiva primaria que mantiene la capacidad de apareamiento es la reparación recombinacional mejorada del daño del ADN durante la meiosis, [8] ya que este beneficio se obtiene durante cada meiosis posterior a un apareamiento, ya sea que se produzca o no cruzamiento. .
En otras levaduras
Levadura de fisión
Schizosaccharomyces pombe es una levadura sexual facultativa que puede aparearse cuando los nutrientes son limitantes. [9] La exposición de S. pombe al peróxido de hidrógeno, un agente que causa estrés oxidativo que conduce al daño oxidativo del ADN, induce fuertemente el apareamiento, la meiosis y la formación de esporas meióticas. [10] Este hallazgo sugiere que la meiosis, y en particular la recombinación meiótica, puede ser una adaptación para reparar el daño del ADN. [11] La estructura general dellocus MAT es similar a la de S. cerevisiae . El sistema de conmutación de tipo apareamiento es similar, pero ha evolucionado de forma independiente. [4]
Auto-apareamiento en Cryptococcus neoformans
Cryptococcus neoformans es un hongo basidiomicetous que crece como una levadura en ciernes en cultivo y en un huésped infectado. C. neoformans causa meningoencefalitis potencialmente mortal en pacientes inmunodeprimidos. Sufre una transición filamentosa durante el ciclo sexual para producir esporas, el presunto agente infeccioso. La gran mayoría de los aislamientos ambientales y clínicos de C. neoformans son de tipo α de apareamiento. Los filamentos suelen tener núcleos haploides, pero estos pueden sufrir un proceso de diploidización (quizás por endoduplicación o fusión nuclear estimulada) para formar células diploides denominadas blastosporas . [12] Los núcleos diploides de las blastosporas pueden sufrir meiosis, incluida la recombinación, para formar basidiosporas haploides que luego pueden dispersarse. [12] Este proceso se conoce como fructificación monocariota. Para este proceso se requiere un gen denominado dmc1 , un homólogo conservado de los genes RecA en bacterias y RAD51 en eucariotas. Dmc1 media el emparejamiento de cromosomas homólogos durante la meiosis y la reparación de roturas de doble hebra en el ADN (ver Meiosis ; también Michod et al. [13] ). Lin y col. sugirió que uno de los beneficios de la meiosis en C. neoformans podría ser promover la reparación del ADN en un entorno que daña el ADN que podría incluir las respuestas defensivas del huésped infectado. [12]
Referencias
- ^ En aras de la claridad, este artículo pone en negrita la letra latina "a" y utiliza un grosor de fuente regularpara la α griega. La convención habitual es imprimir ambas con el mismo peso, pero hacerlo haría que las dos letras fueran difíciles de distinguir en eltextoen cursiva .
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enlaces externos
- Los hongos pueden informarnos sobre el origen de los cromosomas sexuales : un estudio muestra que existen grandes similitudes entre las partes del ADN que determinan el sexo de las plantas y los animales y las partes del ADN que determinan los tipos de apareamiento en ciertos hongos. Consultado el 5 de abril de 2008.
- Seminario de Andrew Murray: Sexo con levadura