Дрожжи Saccharomyces cerevisiae - это простой одноклеточный эукариот с диплоидным и гаплоидным способами существования. Спаривание дрожжей происходит только между гаплоидами, который может быть либо или α (альфа) типа спаривания и, таким образом, отобразить простую половую дифференциацию. Тип Спаривание определяется одним локусом, MAT, который в свою очередь регулирует сексуальное поведение обоих гаплоидных и диплоидных клеток. Посредством генетической рекомбинации гаплоидные дрожжи могут переключать тип спаривания так часто, как каждый клеточный цикл.
S. cerevisiae (дрожжи) могут стабильно существовать как диплоид, так и гаплоид. И гаплоидные, и диплоидные дрожжевые клетки размножаются путем митоза, при этом дочерние клетки отпочковываются от материнских клеток. Гаплоидные клетки способны спариваться с другими гаплоидными клетками противоположного типа спаривания ( a- клетка может спариваться только с α-клеткой, и наоборот) с образованием стабильной диплоидной клетки. Диплоидные клетки, обычно сталкиваясь со стрессовыми условиями, такими как истощение питательных веществ, могут претерпевать мейоз с образованием четырех гаплоидных спор : двух а-спор и двух α-спор.
а клетки продуцируют « в -фактор», матовый феромон, который сигнализирует присутствие в клетку в соседние клетки альфа. клетки реагируют на альфа-фактора, то α клетки спаривание феромона, выращивая выступ (известный как Shmoo, из - за его характерной формы, напоминающей Аль Capp мультипликационный персонаж Shmoo ) в сторону источника альфа-фактора. Аналогично, альфа - клетки продуцируют альфа-фактор, и реагировать на них в -фактор, выращивая выступ по направлению к источнику феромона. Ответ гаплоидных клеток только на феромоны спаривания противоположного типа спаривания позволяет спариваться между a и α клетками, но не между клетками того же типа спаривания.
Эти фенотипические различия между а- и альфа-клетками обусловлены разным набором генов, которые активно транскрибируются и репрессируются в клетках двух типов спаривания. а клетки активируют гены, которые производят в -фактор и производят рецептор клеточной поверхности (Ste2), который связывается с альфа-фактором и триггера сигнализации внутри клетки. а клетки также подавляют гены, связанные с α будучи клеткой. Аналогично, amp; alpha ; клетки активируют гены, которые производят альфа-фактор и производят рецептор клеточной поверхности (STE3), который связывает и реагирует на -фактор, а также альфа - клетки подавляют гены, связанные с будучи клетками.
Различные наборы транскрипционной репрессии и активации, которые характеризуют и альфа клетки вызваны наличием одного из двух аллелей одного локуса называемых МАТ: MAT а или MATα, расположенный на хромосоме III. Локус MAT обычно делится на пять регионов (W, X, Y, Z1 и Z2) на основе последовательностей, общих для двух типов спаривания. Разница заключается в области Y (Y a и Yα), которая содержит большинство генов и промоторов.
МАТ аллель MAT кодирует ген, называемый 1, который в гаплоидах направлять транскрипцию в -специфической транскрипционной программе (например, экспрессирующие Ste2 и подавляя STE3), которая определяет в клетку. MATα аллель MAT кодирует amp; alpha ; 1 и amp; alpha ; 2 генов, которые в гаплоидах направлять транскрипцию транскрипционной программы альфа-специфического (например, экспрессирующие STE3, подавляя Ste2), который вызывает клеточный быть α клеткой. S.cerevisiae, имеет более 2 ген без видимой функции, которая разделяет большую часть своей последовательности с amp; alpha ; 2; однако другие дрожжи, такие как Candida albicans, действительно обладают функциональным и отличным геном MAT a 2.
Гаплоидные клетки относятся к одному из двух типов спаривания ( а или а) и отвечают на феромон спаривания, продуцируемый гаплоидными клетками противоположного типа спаривания, и могут спариваться с клетками противоположного типа спаривания. Гаплоидные клетки не могут подвергаться мейозу. Диплоидные клетки не производят и не реагируют на феромоны спаривания и не спариваются, но могут пройти мейоз с образованием четырех гаплоидных клеток.
Подобно различиям между гаплоидными a и α-клетками, различные паттерны репрессии и активации генов ответственны за фенотипические различия между гаплоидными и диплоидными клетками. В дополнение к специфическим паттернам транскрипции a и α, гаплоидные клетки обоих типов спаривания разделяют гаплоидный паттерн транскрипции, который активирует гаплоид-специфические гены (такие как HO) и репрессирует диплоид-специфические гены (такие как IME1). Точно так же диплоидные клетки активируют диплоид-специфические гены и репрессируют гаплоид-специфические гены.
Различные паттерны экспрессии генов гаплоидов и диплоидов снова связаны с локусом MAT. Гаплоидные клетки содержат только одну копию каждой из 16 хромосом и, следовательно, могут обладать только одним аллелем MAT ( MAT a или MATα), который определяет их тип спаривания. Диплоидные клетки являются результатом спаривания a- клетки и α-клетки и, таким образом, обладают 32 хромосомами (в 16 парах), включая одну хромосому, несущую аллель MAT a, и другую хромосому, несущую аллель MATα. Комбинация информации, кодируемой аллелем MAT a ( ген a 1) и аллелем MATα (гены α1 и α2), запускает программу диплоидной транскрипции. Точно так же присутствие только одного аллеля MAT, будь то MAT a или MATα, запускает гаплоидную программу транскрипции.
Аллели, присутствующие в локусе MAT, достаточны для программирования поведения клетки при спаривании. Например, с помощью генетических манипуляций, A МАТ аллель может быть добавлен к MATα гаплоидных клетки. Несмотря на наличие гаплоидного набора хромосом, клетка теперь имеет аллели MAT a и MATα и будет вести себя как диплоидная клетка: она не будет производить феромоны спаривания и не реагировать на них, а при голодании будет пытаться пройти мейоз с фатальными результатами.. Точно так же делеция одной копии локуса MAT в диплоидной клетке, оставляющая только один аллель MAT a или MATα, приведет к тому, что клетка с диплоидным набором хромосом будет вести себя как гаплоидная клетка.
Спаривание у дрожжей стимулируется присутствием феромона, который связывается либо с рецептором Ste2 (в α-клетках), либо с рецептором Ste3 (в α-клетках). Связывание этого феромона затем приводит к активации гетеротримерного G-белка. Димерная часть этого G-белка рекрутирует Ste5 (и связанные с ним компоненты каскада MAPK ) на мембрану и в конечном итоге приводит к фосфорилированию Fus3.
Механизм переключения возникает в результате конкуренции между белком Fus3 (белок MAPK) и фосфатазой Ptc1. Оба эти белка пытаются контролировать 4 сайта фосфорилирования Ste5, каркасного белка с Fus3, пытающегося фосфорилировать фосфозиты, и Ptc1, пытающегося их дефосфорилировать.
Присутствие α-фактора индуцирует рекрутирование Ptc1 на Ste5 через мотив из 4 аминокислот, расположенный внутри фосфозитов Ste5. Затем Ptc1 дефосфорилирует Ste5, что в конечном итоге приводит к диссоциации комплекса Fus3-Ste5. Fus3 диссоциирует подобно переключателю в зависимости от состояния фосфорилирования 4 фосфозитов. Все 4 фосфозита должны быть дефосфорилированы для диссоциации Fus3. Способность Fus3 конкурировать с Ptc1 снижается по мере привлечения Ptc1, и, таким образом, скорость дефосфорилирования увеличивается в присутствии феромона.
Kss1, гомолог Fus3, не влияет на shmooing и не способствует принятию решения о спаривании, подобном переключению.
У дрожжей спаривание, а также производство шму происходит по механизму «все или ничего». Этот механизм, похожий на переключатель, позволяет дрожжевым клеткам избегать неразумных действий в очень сложной процедуре. Однако решение о спаривании должно быть не только консервативным (во избежание потери энергии), но и быстрым, чтобы не потерять потенциального партнера.
Решение о спаривании является чрезвычайно деликатным. Есть 3 способа поддержания этой сверхчувствительности:
[a и α дрожжи имеют один и тот же путь реакции спаривания, с той лишь разницей, что тип рецептора есть у каждого типа спаривания. Таким образом, приведенное выше описание, данное для дрожжей a-типа, стимулированных α-фактором, одинаково хорошо работает для дрожжей α-типа, стимулированных a-фактором.]
Гаплоидные дрожжи дикого типа способны переключать тип спаривания с а на а. Следовательно, даже если одна гаплоидная клетка данного типа спаривания обнаруживает колонию дрожжей, переключение типа спаривания приведет к тому, что в популяции будут присутствовать клетки как типа спаривания, так и типа спаривания. В сочетании с сильным стремлением гаплоидных клеток к спариванию с клетками противоположного типа спаривания и образованию диплоидов, переключение типа спаривания и последующее спаривание приведет к тому, что большинство клеток в колонии будут диплоидными, независимо от того, основала ли гаплоидная или диплоидная клетка колония. Подавляющее большинство штаммов дрожжей , изученных в лабораториях, были изменены таким образом, что они не могут выполнять переключение типа спаривания (путем делеции гена HO ; см. Ниже); это позволяет стабильное распространение гаплоидных дрожжей, а гаплоидные клетки типа спаривания останутся клетки (и альфа - клетка будет оставаться α клетки), и не будут образовывать диплоиды.
Расположение молчаливых локусов HML и HMR и активного локуса MAT на хромосоме III дрожжей.Гаплоидные дрожжи переключают тип спаривания, заменяя информацию, присутствующую в локусе MAT. Например, a- клетка переключится на α-клетку, заменив аллель MAT a аллелем MATα. Эта замена одного аллель MAT для другого возможна потому, что дрожжевые клетки несут дополнительный Silenced копию как MAT а и MATα аллелей: в ЧОЛЕ ( ч omothallic м живать л EFT) локус обычно несет с глушителем копией из MATα аллели, и ГМР ( ч omothallic м живать г РАВО) локус обычно несет с глушителем копию из ВС аллели. Молчаливые H и HMR локусы часто называют немые сопрягаемые кассетами, в качестве информации, присутствующей там «» считывается в активный MAT локуса.
Эти дополнительные копии информации о типе спаривания не вмешиваться в функции от любой аллель присутствует в MAT локус, потому что они не выражены, поэтому гаплоидные клетки с MAT аллель присутствует в активном MAT локусе еще клетка, несмотря на наличие (заглушенной) копии аллеля MATα, присутствующей в HML. Транскрибируется только аллель, присутствующий в активном локусе MAT, и, таким образом, только аллель, присутствующий в MAT, будет влиять на поведение клетки. Локусы скрытого типа спаривания эпигенетически подавляются белками SIR, которые образуют гетерохроматиновый каркас, который предотвращает транскрипцию из молчащих кассет спаривания.
Процесс смены типа спаривания - это событие конверсии гена, инициированное геном HO. HO ген представляет собой ген, жестко регулируется гаплоидными конкретным, который активируется только в гаплоидных клетках во время G 1 фазы от клеточного цикла. Белок, кодируемый HO гена представляет собой ДНК - эндонуклеазой, которая расщепляет ДНК физически, но только в MAT локус (за счет последовательности ДНК специфичности эндонуклеазы HO).
Как только HO разрезает ДНК в MAT, экзонуклеазы притягиваются к разрезанным концам ДНК и начинают разрушать ДНК по обе стороны от сайта разреза. Эта деградация ДНК экзонуклеазами устраняет ДНК, кодирующую аллель MAT ; однако образующийся разрыв в ДНК восстанавливается путем копирования генетической информации, присутствующей в HML или HMR, заполняя новый аллель гена MAT a или MATα. Таким образом, молчащие аллели MAT a и MATα, присутствующие в HML и HMR, служат источником генетической информации для восстановления вызванных HO повреждений ДНК в активном локусе MAT.
Ремонт локуса MAT после разрезания эндонуклеазой HO почти всегда приводит к переключению типа спаривания. Когда a- клетка разрезает аллель MAT a, присутствующий в локусе MAT, разрез в MAT почти всегда будет исправлен путем копирования информации, представленной в HML. Это приводит к тому, что MAT восстанавливается до аллеля MATα, изменяя тип спаривания клетки с a на α. Точно так же α-клетка, аллель MATα которой разрезан эндонуклеазой HO, почти всегда восстанавливает повреждение, используя информацию, представленную в HMR, копируя ген MAT a в локус MAT и переключая тип спаривания α-клетки на a.
Это результат действия энхансера рекомбинации (RE), расположенного на левом плече хромосомы III. Удаление этого региона вызывает клетку неправильного ремонта с использованием HMR. В течение клеток, Mcm1 связывается с RE и способствует рекомбинации области HML. В α-клетках фактор α2 связывается с RE и устанавливает репрессивный домен над RE, так что рекомбинация маловероятна. Врожденная предвзятость означает, что поведение по умолчанию - восстановление с помощью HMR. Точные механизмы этих взаимодействий все еще исследуются.
Ruderfer et al. проанализировали происхождение природных штаммов S. cerevisiae и пришли к выводу, что спаривания, включающие ауткроссинг, происходят только примерно один раз на каждые 50 000 делений клеток. Таким образом, оказывается, что в природе спаривание чаще всего происходит между близкородственными дрожжевыми клетками. Спаривание происходит, когда гаплоидные клетки противоположного типа спаривания MAT a и MATα вступают в контакт. Ruderfer et al. указал, что такие контакты между близкородственными дрожжевыми клетками часты по двум причинам. Первый заключается в том, что клетки противоположного типа спаривания присутствуют вместе в одном аске, мешочке, который содержит клетки, непосредственно продуцируемые одним мейозом, и эти клетки могут спариваться друг с другом. Вторая причина заключается в том, что гаплоидные клетки одного типа спаривания при делении клеток часто производят клетки противоположного типа спаривания, с которыми они могут спариваться (см. Раздел «Переключение типа спаривания» выше). Относительная редкость в природе мейотических событий, возникающих в результате ауткроссинга, по-видимому, несовместима с идеей о том, что производство генетической изменчивости является первичной селективной силой, поддерживающей способность к спариванию в этом организме. Однако это открытие согласуется с альтернативной идеей, что первичная селективная сила, поддерживающая способность к спариванию, - это усиленная рекомбинационная репарация повреждений ДНК во время мейоза, поскольку это преимущество реализуется во время каждого мейоза после спаривания, независимо от того, происходит ли ауткроссинг или нет.
Schizosaccharomyces pombe - это факультативные половые дрожжи, которые могут спариваться при ограничении питательных веществ. Воздействие на S. pombe перекиси водорода, агента, вызывающего окислительный стресс, приводящего к окислительному повреждению ДНК, сильно индуцирует спаривание, мейоз и образование мейотических спор. Это открытие предполагает, что мейоз, и особенно мейотическая рекомбинация, может быть адаптацией для восстановления повреждений ДНК. Общая структуралокуса MAT сходна с таковой у S. cerevisiae. Система переключения сопряженного типа аналогична, но развивалась независимо.
Cryptococcus neoformans - это базидиомицетный гриб, который растет как почкующиеся дрожжи в культуре и на инфицированном хозяине. C. neoformans вызывает опасный для жизни менингоэнцефалит у пациентов с ослабленным иммунитетом. Он претерпевает нитевидный переход во время полового цикла с образованием спор, предполагаемого инфекционного агента. Подавляющее большинство экологических и клинических изолятов C. neoformans относятся к типу спаривания α. Нити обычно имеют гаплоидные ядра, но они могут подвергаться процессу диплоидизации (возможно, посредством эндодупликации или стимулированного ядерного слияния) с образованием диплоидных клеток, называемых бластоспорами. Затем диплоидные ядра бластоспор могут подвергаться мейозу, включая рекомбинацию, с образованием гаплоидных базидиоспор, которые затем могут диспергироваться. Этот процесс называется монокариотическим плодоношением. Для этого процесса необходим ген, обозначенный dmc1, консервативный гомолог генов RecA у бактерий и RAD51 у эукариот. DMC1 опосредует гомологичные хромосомы спаривания в мейозе и ремонта двунитевых разрывов в ДНК (см мейоза ; также Michodдр.). Lin et al. предположили, что одним из преимуществ мейоза у C. neoformans может быть содействие репарации ДНК в среде, повреждающей ДНК, которая может включать защитные реакции инфицированного хозяина.