Apareamiento de levadura

El apareamiento de levaduras, también conocido como reproducción sexual de levaduras, es un proceso biológico fundamental que promueve la diversidad genética y la adaptación en las especies de levaduras. Las levaduras como Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadería) son eucariotas unicelulares que pueden existir como células haploides, que contienen un único conjunto de cromosomas, o células diploides, que contienen dos conjuntos de cromosomas. cromosomas. Las células de levadura haploides se presentan en dos tipos de apareamiento, a y 'α', cada una de las cuales produce feromonas específicas para identificar e interactuar con el tipo opuesto, mostrando así una diferenciación sexual simple. Este tipo de apareamiento está determinado por un locus genético específico conocido como MAT, que gobierna el comportamiento de apareamiento de las células. La levadura haploide puede cambiar el tipo de apareamiento mediante una forma de recombinación genética, lo que les permite cambiar el tipo de apareamiento con tanta frecuencia como en cada ciclo celular. Cuando dos células haploides de tipos de apareamiento opuestos se encuentran, se someten a un complejo proceso de señalización que conduce a la fusión celular y la formación de una célula diploide. Luego, las células diploides pueden reproducirse asexualmente o, en condiciones de limitación de nutrientes, sufrir meiosis para producir nuevas esporas haploides.

Las diferencias entre 'a' y 'α' Las células, impulsadas por patrones de expresión genética específicos regulados por el locus MAT, son cruciales para el proceso de apareamiento. Además, la decisión de aparearse implica una vía de señalización compleja y altamente sensible que incluye mecanismos de detección y respuesta de feromonas. En la naturaleza, el apareamiento de levaduras a menudo ocurre entre células estrechamente relacionadas, aunque el cambio de tipo de apareamiento y la señalización de feromonas permiten cruces ocasionales, lo que mejora la variación genética. Además, ciertas especies de levaduras, como Schizosaccharomyces pombe y Cryptococcus neoformans, tienen comportamientos de apareamiento y mecanismos reguladores únicos, lo que demuestra la diversidad y adaptabilidad de las estrategias reproductivas de las levaduras.

Tipos de apareamiento

Las levaduras pueden existir de forma estable como diploides o haploides. Tanto las células de levadura haploides como 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 sólo 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

células a producen el a-factor', 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 de α- factor. De manera similar, las células α producen el factor α y responden al factor a haciendo crecer 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 células a y α, pero no entre células del mismo tipo de apareamiento.

Estas diferencias fenotípicas entre las células a y α se deben a que un conjunto diferente de genes se transcribe y reprime activamente en las células de los dos tipos de apareamiento. Las células a activan genes que producen el factor a 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. De manera similar, las células α activan genes que producen el factor α y producen un receptor de superficie celular (Ste3) que se une y responde al factor a, y las células α reprimen los genes asociados con ser un a. celda.

El lugar MAT

Los diferentes conjuntos de represión y activación transcripcional que caracterizan a las células a y α son causados por la presencia de uno de dos alelos de un locus de tipo de apareamiento llamado MAT: MATa 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 (Ya y Yα), que contiene la mayoría de los genes y promotores.

El alelo MATa de MAT codifica un gen llamado a1, que en los haploides dirige la transcripción del programa transcripcional específico de un (como expresar STE2 y reprimir STE3) que define una célula a. El alelo MATα de MAT codifica los genes α1 y α2, que en los haploides dirigen la transcripción del programa transcripcional específico de α (como la expresión de STE3, reprimiendo STE2, produciendo factor prepro-α) que hace que la célula sea una célula α. S. cerevisiae tiene un gen a2 sin función aparente que comparte gran parte de su secuencia con α2; sin embargo, otras levaduras como Candida albicans tienen un gen MATa2 funcional y distinto.

Diferencias entre células haploides y diploides

Las células haploides son uno de dos tipos de apareamiento (a o α) y responden a la feromona de apareamiento producida por 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 las células haploides a y α, los diferentes patrones de represión y activación genética son responsables de las diferencias fenotípicas entre las células haploides y diploides. Además de los patrones transcripcionales específicos a y α, las células haploides de ambos tipos de apareamiento comparten un patrón transcripcional haploide que activa genes haploides específicos (como HO) y reprime los genes diploides. -genes específicos (como IME1). De manera similar, las células diploides activan genes específicos de diploides y reprimen genes específicos de haploides.

Los diferentes patrones de expresión genética 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 MATa o MATα), 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 MATa. y otro cromosoma que lleva el alelo MATα. La combinación de la información codificada por el alelo MATa (el gen a1) y el alelo MATα ( los genes α1 y α2) desencadena el programa transcripcional diploide. De manera similar, la presencia de un solo alelo de MAT, ya sea MATa o MATα, desencadena la Programa transcripcional haploide.

Los alelos presentes en el locus MAT son suficientes para programar el comportamiento de apareamiento de la célula. Por ejemplo, mediante manipulaciones genéticas, se puede añadir un alelo MATa a una célula haploide MATα. A pesar de tener un complemento haploide de cromosomas, la célula ahora tiene los alelos MATa y MATα y se comportará como una célula diploide: no producirá ni responderá a las feromonas de apareamiento y, cuando muera de hambre, intentará someterse a meiosis, con resultados fatales. De manera similar, la eliminación de una copia del locus MAT en una célula diploide, dejando solo un único MATa o MATα alelo, 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 Ste5 (y sus componentes relacionados de la cascada MAPK) a la membrana y, en última instancia, da como resultado la fosforilación de Fus3.

El mecanismo de conmutación 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 resulta en 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 estar desfosforilados para que Fus3 se disocia. 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 tipo interruptor.

En la levadura, el apareamiento y la producción de shmoos se producen mediante un mecanismo similar a un interruptor de todo o nada. Este mecanismo similar a un interruptor permite a las células de levadura evitar comprometerse imprudentemente con un procedimiento altamente exigente. Sin embargo, la decisión de apareamiento no sólo debe ser conservadora (para evitar el desperdicio de 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:

1. Fosforilación multi-sitio – Fus3 sólo disocia de Ste5 y se vuelve totalmente activo cuando los 4 de los fosfositos son desfosforilados. Incluso un sitio fosforilado dará lugar a la inmunidad al factor α.
2. Armadura de dos etapas – Fus3 y Ptc1 se unen a sitios de acoplamiento separados en Ste5. Sólo después del atraco pueden atar y actuar en los fósforos.
3. Hindrance estético – competencia entre Fus3 y Ptc1 para controlar los 4 fosforitos en Ste3

Las

levaduras a y α comparten la misma vía de respuesta de apareamiento, con la única diferencia en el tipo de receptor que posee cada tipo de apareamiento. Así, la descripción anterior, dada para levaduras de tipo a estimuladas con factor α, funciona igualmente bien para levaduras de tipo α estimuladas con factor a.

Cambio de tipo de acoplamiento

Levadura haploida de tipo salvaje son capaces de cambiar el tipo de apareamiento entre a y α. En consecuencia, incluso si una sola célula haploide de un tipo de apareamiento determinado encuentra una colonia de levadura, el cambio de tipo de apareamiento causará células de ambos a y tipos de apareamiento α para estar presentes en la población. Combinado con el fuerte impulso de células haploidas para aparearse con células del tipo de apareamiento opuesto y forma diploides, el cambio de tipo de apareamiento y el apareamiento consiguiente hará que la mayoría de las células de una colonia sean diploidas, independientemente de si una célula haploide o diploide fundada la colonia. La gran mayoría de las variedades de levadura estudiadas en laboratorios han sido alteradas de tal manera que no pueden realizar el cambio de tipo de apareamiento (por eliminación de la HOMBRE gen; ver abajo); esto permite la propagación estable de la levadura haploida, como células haploidas de las a tipo de apareamiento permanecerá a células (y células α permanecerán células α), y no formarán diploides.

HML y HMR: los cassettes 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 MATa por el alelo MATα. . Esta sustitución de un alelo de MAT por otro es posible porque las células de levadura portan una copia silenciada adicional tanto de MATa como de . Alelos MATα: el locus HML (homotálico mating left) normalmente porta un gen silenciado. copia del alelo MATα y el HMR (homotálico mating r ight) locus normalmente porta una copia silenciada del alelo MATa. Los loci silenciosos HML y HMR a menudo se denominan casetes de acoplamiento silenciosos, ya que la información presente allí se "lee en" el sistema. el locus activo MAT.

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 MAT< El alelo b>a presente en el locus activo MAT sigue siendo una célula a, a pesar de tener también una copia (silenciada) del MATα presente en HML. Sólo se transcribe el alelo presente en el locus activo MAT y, por tanto, sólo el alelo presente en MAT influirá en el comportamiento celular. Los loci de tipo de apareamiento ocultos son silenciados epigenéticamente por proteínas SIR, que forman una estructura de heterocromatina que impide 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 haploide específico estrechamente regulado que solo se activa en células haploides durante la fase G1 del ciclo celular. La proteína codificada por el gen HO es una ADN endonucleasa, que escinde físicamente el ADN, pero sólo en el locus MAT (debido a la especificidad de la secuencia de ADN de la endonucleasa HO).

Una vez que el HO corta el ADN en MAT, las exonucleasas son atraídas por los extremos del ADN cortado y comienzan a degradar el ADN en ambos lados del sitio de corte. Esta degradación del ADN por exonucleasas elimina el ADN que codificaba 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 de MAT< gen b>a o MATα. Por tanto, los alelos silenciados de MATa y MATα presentes en HML y HMR servir como fuente de información genética para reparar el daño del ADN inducido por HO en el locus activo MAT.

Direccionalidad del interruptor de tipo de acoplamiento

La reparación del locus MAT después del corte por la endonucleasa HO casi siempre resulta en un cambio de tipo de apareamiento. Cuando una célula a corta el alelo MATa presente en el locus MAT, el corte en MAT casi siempre se reparará copiando la información presente en HML. Esto da como resultado que MAT se repare en el alelo MATα, cambiando el tipo de apareamiento de la célula de a a α. De manera similar, una célula α cuyo alelo MATα es cortado por la endonucleasa HO casi siempre reparará el daño utilizando la información presente en HMR, copiando el MATa gen al locus MAT y cambiando el tipo de apareamiento de la célula α a a.

Este es el resultado de la acción de un potenciador de recombinación (RE) ubicado en el brazo izquierdo del cromosoma III. La eliminación de esta región hace que las células a se reparen incorrectamente mediante HMR. En las células a, Mcm1 se 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 recombinación. Un sesgo innato significa que el comportamiento predeterminado es la reparación desde HMR. Los mecanismos exactos de estas interacciones aún están bajo investigación.

Apareamiento y endogamia

Ruderfer et al. analizó la ascendencia de los S naturales. cerevisiae y concluyó que los apareamientos que implican cruzamiento ocurren sólo aproximadamente 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 ocurre cuando células haploides de tipo de apareamiento opuesto MATa y MATα entran en contacto. Ruderfer et al. Señaló que tales contactos son frecuentes entre células de levadura estrechamente relacionadas por dos razones. La primera es que las células de tipo de apareamiento opuesto están presentes juntas en el mismo ascus, el saco que contiene las células producidas directamente por una única meiosis, y estas células pueden aparearse entre sí. La segunda razón es que las células haploides de un tipo de apareamiento, al dividirse, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto con las que pueden aparearse (consulte la sección "Cambio de tipo de apareamiento", más arriba). La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del cruzamiento parece ser inconsistente con la idea de que la producción de variación genética es la principal fuerza selectiva que mantiene la capacidad de apareamiento en este organismo. Sin embargo, este hallazgo es consistente con la idea alternativa de que la principal fuerza selectiva que mantiene la capacidad de apareamiento es una reparación recombinacional mejorada del daño del ADN durante la meiosis, ya que este beneficio se logra durante cada meiosis posterior a un apareamiento, ya sea que se produzca o no un cruzamiento.

Casos especiales

Levadura de fisión

Schizosaccharomyces pombe es una levadura sexual facultativa que puede aparearse cuando los nutrientes son limitantes. Exposición de S. pombe al peróxido de hidrógeno, un agente que causa estrés oxidativo que conduce a daño oxidativo del ADN, induce fuertemente el apareamiento, la meiosis y la formación de esporas meióticas. Este hallazgo sugiere que la meiosis, y particularmente la recombinación meiótica, puede ser una adaptación para reparar el daño del ADN. La estructura general del locus MAT es similar a la de S. cerevisiae. El sistema de conmutación de tipo de acoplamiento es similar, pero ha evolucionado de forma independiente.

Autoacoplamiento en Cryptococcus neoformans

Cryptococcus neoformans es un hongo basidiomiceto que crece como una levadura en ciernes en cultivo y en un huésped infectado. C. neoformans causa meningoencefalitis potencialmente mortal en pacientes inmunocomprometidos. Sufre una transición filamentosa durante el ciclo sexual para producir esporas, el agente infeccioso sospechoso. La gran mayoría de los aislamientos ambientales y clínicos de C. neoformans son del tipo de apareamiento α. Los filamentos normalmente tienen núcleos haploides, pero estos pueden sufrir un proceso de diploidización (tal vez por endoduplicación o fusión nuclear estimulada) para formar células diploides denominadas blastosporas. Los núcleos diploides de las blastosporas pueden luego sufrir meiosis, incluida la recombinación, para formar basidiosporas haploides que luego pueden dispersarse. Este proceso se conoce como fructificación monocariótica. 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.). Lin et al. sugirió que uno de los beneficios de la meiosis en C. neoformans podría ser promover la reparación del ADN en un entorno dañino para el ADN que podría incluir las respuestas defensivas del huésped infectado.