Cariogamia

cariogamia es el paso final en el proceso de fusión de dos células eucariotas haploides, y se refiere específicamente a la fusión de los dos núcleos. Antes de la cariogamia, cada célula haploide tenía una copia completa del genoma del organismo. Para que se produzca la cariogamia, la membrana celular y el citoplasma de cada célula deben fusionarse entre sí en un proceso conocido como plasmogamia. Una vez dentro de la membrana celular unida, los núcleos se denominan pronúcleos. Una vez que las membranas celulares, el citoplasma y los pronúcleos se fusionan, la célula única resultante es diploide y contiene dos copias del genoma. Esta célula diploide, llamada cigoto o cigospora, puede luego entrar en meiosis (un proceso de duplicación, recombinación y división de cromosomas para producir cuatro nuevas células haploides) o continuar dividiéndose por mitosis. La fertilización de mamíferos utiliza un proceso comparable para combinar espermatozoides haploides y óvulos (gametos) para crear un óvulo fertilizado diploide.

El término cariogamia proviene del griego karyo- (de κάρυον karyon) 'nut' y γάμος gamos 'matrimonio'.

Importancia en organismos haploides

Los organismos haploides como hongos, levaduras y algas pueden tener ciclos celulares complejos, en los que la elección entre reproducción sexual o asexual es fluida y, a menudo, está influenciada por el medio ambiente. Algunos organismos, además de su estado haploide habitual, también pueden existir como diploides durante un corto tiempo, lo que permite que se produzca la recombinación genética. La cariogamia puede ocurrir dentro de cualquier modo de reproducción: durante el ciclo sexual o en células somáticas (no reproductivas).

Por lo tanto, la cariogamia es el paso clave para reunir dos conjuntos de material genético diferente que pueden recombinarse durante la meiosis. En organismos haploides que carecen de ciclos sexuales, la cariogamia también puede ser una fuente importante de variación genética durante el proceso de formación de células somáticas diploides. La formación de diploides somáticos evita el proceso de formación de gametos durante el ciclo de reproducción sexual y, en cambio, crea variación dentro de las células somáticas de un organismo ya desarrollado, como un hongo.

Papel en la reproducción sexual

El papel de la cariogamia en la reproducción sexual puede demostrarse de forma más sencilla mediante organismos haploides unicelulares como las algas del género Chlamydomonas o la levadura Saccharomyces cerevisiae. Estos organismos existen normalmente en un estado haploide y contienen sólo un juego de cromosomas por célula. Sin embargo, el mecanismo sigue siendo en gran medida el mismo en todos los eucariotas haploides.

Cuando se someten a estrés ambiental, como la falta de nitrógeno en el caso de Chlamydomonas, las células son inducidas a formar gametos. La formación de gametos en organismos haploides unicelulares como la levadura se llama esporulación y produce muchos cambios celulares que aumentan la resistencia al estrés. La formación de gametos en hongos multicelulares ocurre en los gametangios, un órgano especializado para tal proceso, generalmente por meiosis. Cuando se encuentran tipos de apareamiento opuestos, se los induce a abandonar el ciclo vegetativo y entrar en el ciclo de apareamiento. En la levadura, existen dos tipos de apareamiento, a y α. En los hongos, puede haber dos, cuatro o incluso hasta 10.000 tipos de apareamiento, según la especie. El reconocimiento de pareja en los eucariotas más simples se logra mediante señalización de feromonas, que induce la formación de shmoo (una proyección de la célula) y comienza el proceso de organización y migración de los microtúbulos. Las feromonas utilizadas en el reconocimiento del tipo de apareamiento suelen ser péptidos, pero a veces ácido trispórico u otras moléculas, reconocidas por receptores celulares en la célula opuesta. En particular, la señalización de feromonas está ausente en hongos superiores como los hongos.

Las membranas celulares y el citoplasma de estas células haploides luego se fusionan en un proceso conocido como plasmogamia. Esto da como resultado una sola célula con dos núcleos, conocidos como pronúcleos. Luego, los pronúcleos se fusionan en un proceso bien regulado conocido como cariogamia. Esto crea una célula diploide conocida como cigoto o zigospora, que luego puede entrar en la meiosis, un proceso de duplicación cromosómica, recombinación y división celular, para crear cuatro nuevas células gametas haploides. Una posible ventaja de la reproducción sexual es que da como resultado una mayor variabilidad genética, brindando la oportunidad de adaptación a través de la selección natural. Otra ventaja es la reparación recombinacional eficiente de los daños del ADN durante la meiosis. Por tanto, la cariogamia es el paso clave para reunir una variedad de material genético con el fin de asegurar la recombinación en la meiosis.

Los amoebozoos son un gran grupo de especies en su mayoría unicelulares que recientemente se ha determinado que tienen la maquinaria para la cariogamia y la meiosis. Dado que Amoeboza se separó tempranamente del árbol genealógico de los eucariotas, este hallazgo sugiere que la cariogamia y la meiosis estuvieron presentes en las primeras etapas de la evolución de los eucariotas.

Mecanismos celulares

Migración pronuclear

El objetivo final de la cariogamia es la fusión de los dos núcleos haploides. El primer paso de este proceso es el movimiento de los dos pronúcleos entre sí, que se produce inmediatamente después de la plasmogamia. Cada pronúcleo tiene un cuerpo polar del huso que está incrustado en la envoltura nuclear y sirve como punto de unión para los microtúbulos. Los microtúbulos, un importante componente del citoesqueleto similar a una fibra, emergen del cuerpo polar del huso. El punto de unión al cuerpo del polo del huso marca el extremo negativo y el extremo positivo se extiende hacia el citoplasma. El extremo positivo desempeña funciones normales en la división mitótica, pero durante el congreso nuclear, los extremos positivos se redirigen. Los extremos positivos de los microtúbulos se unen al pronúcleo opuesto, lo que provoca que los dos pronúcleos se acerquen entre sí.

El movimiento de los microtúbulos está mediado por una familia de proteínas motoras conocidas como cinesinas, como Kar3 en la levadura. Las proteínas accesorias, como la Spc72 en la levadura, actúan como un pegamento, conectando la proteína motora, el cuerpo polar del huso y los microtúbulos en una estructura conocida como medio puente. Otras proteínas, como Kar9 y Bim1 en la levadura, se adhieren al extremo positivo de los microtúbulos. Se activan mediante señales de feromonas para adherirse a la punta del shmoo. Un shmoo es una proyección de la membrana celular que es el sitio de fusión celular inicial en la plasmogamia. Después de la plasmogamia, los extremos positivos de los microtúbulos continúan creciendo hacia el pronúcleo opuesto. Se cree que el extremo positivo en crecimiento del microtúbulo se une directamente a la proteína motora del pronúcleo opuesto, lo que desencadena una reorganización de las proteínas en el medio puente. La fuerza necesaria para la migración ocurre directamente en respuesta a esta interacción.

Se han propuesto dos modelos de congreso nuclear: el puente cruzado deslizante y el modelo de extremo positivo. En el modelo de puente cruzado deslizante, los microtúbulos corren antiparalelos entre sí a lo largo de toda la distancia entre los dos pronúcleos, formando enlaces cruzados entre sí y cada uno de ellos uniéndose al núcleo opuesto en el extremo positivo. Este es el modelo preferido. El modelo alternativo propone que los extremos positivos entren en contacto entre sí a mitad de camino entre los dos pronúcleos y sólo se superpongan ligeramente. En cualquiera de los modelos, se cree que el acortamiento de los microtúbulos se produce en el extremo positivo y requiere Kar3p (en levadura), un miembro de una familia de proteínas similares a las cinesinas.

Se ha demostrado que la organización de los microtúbulos en el citoesqueleto es esencial para el congreso nuclear adecuado durante la cariogamia. La organización defectuosa de los microtúbulos provoca el fracaso total de la cariogamia, pero no interrumpe totalmente la meiosis y la producción de esporas en la levadura. El fracaso se produce porque el proceso de congreso nuclear no puede ocurrir sin microtúbulos funcionales. Por tanto, los pronúcleos no se acercan lo suficiente entre sí como para fusionarse y su material genético permanece separado.

Fusión pronuclear (cariogamia)

La fusión de las envolturas nucleares del pi se produce en tres pasos: fusión de la membrana externa, fusión de la membrana interna y fusión de los cuerpos polares del huso. En la levadura, se necesitan varios miembros de la familia de proteínas Kar, así como una protamina, para la fusión de las membranas nucleares. La protamina Prm3 se encuentra en la superficie exterior de cada membrana nuclear y es necesaria para la fusión de la membrana exterior. Se desconoce el mecanismo exacto. Kar5, una proteína similar a la cinesina, es necesaria para expandir la distancia entre las membranas externa e interna en un fenómeno conocido como expansión del puente. Se cree que Kar8 y Kar2 son necesarios para la fusión de las membranas internas. Como se describió anteriormente, la reorganización de las proteínas motoras y accesorias durante la migración pronuclear también sirve para orientar los cuerpos polares del huso en la dirección correcta para un congreso nuclear eficiente. El congreso nuclear todavía puede tener lugar sin esta orientación previa de los cuerpos polares del huso, pero es más lento. En última instancia, los dos pronúcleos combinan el contenido de sus nucleoplasmas y forman una única envoltura alrededor del resultado.

Papel en los diploides somáticos

Aunque los hongos normalmente son haploides, las células diploides pueden surgir por dos mecanismos. El primero es una falla del huso mitótico durante la división celular regular y no implica cariogamia. La célula resultante sólo puede ser genéticamente homocigótica ya que se produce a partir de una célula haploide. El segundo mecanismo, que implica la cariogamia de células somáticas, puede producir diploides heterocigotos si los dos núcleos difieren en información genética. La formación de diploides somáticos es generalmente rara y se cree que ocurre debido a una mutación en el gen represor de la cariogamia (KR).

Sin embargo, hay algunos hongos que existen principalmente en estado diploide. Un ejemplo es Candida albicans, un hongo que vive en el tracto gastrointestinal de muchos animales de sangre caliente, incluidos los humanos. Aunque suele ser inocuo, C. albicans puede volverse patógeno y es un problema particular en pacientes inmunodeprimidos. A diferencia de la mayoría de los otros hongos, las células diploides de diferentes tipos de apareamiento se fusionan para crear células tetraploides que posteriormente regresan al estado diploide al perder cromosomas.

Similitudes y diferencias con la fertilización de los mamíferos

Los mamíferos, incluidos los humanos, también combinan material genético de dos fuentes (padre y madre) en la fertilización. Este proceso es similar a la cariogamia. Al igual que con la cariogamia, los microtúbulos desempeñan un papel importante en la fertilización y son necesarios para la unión del ADN del esperma y el óvulo (ovocito). Los fármacos como la griseofulvina, que interfieren con los microtúbulos, impiden la fusión de los pronúcleos del esperma y el óvulo. El gen KAR2, que desempeña un papel importante en la cariogamia, tiene un análogo de mamífero llamado Bib/GRP78. En ambos casos, el material genético se combina para crear una célula diploide que tiene mayor diversidad genética que cualquiera de las fuentes originales. En lugar de fusionarse como lo hacen los eucariotas inferiores en la cariogamia, el núcleo del espermatozoide vesicula y su ADN se descondensa. El centríolo del espermatozoide actúa como centro organizador de microtúbulos y forma un áster que se extiende por todo el óvulo hasta contactar con el núcleo del óvulo. Los dos pronúcleos migran uno hacia el otro y luego se fusionan para formar una célula diploide.