Кариогамия — это заключительный этап процесса слияния двух гаплоидных эукариотических клеток, который относится конкретно к слиянию двух ядер . До кариогамии каждая гаплоидная клетка имела одну полную копию генома организма . Для возникновения кариогамии клеточная мембрана и цитоплазма каждой клетки должны сливаться друг с другом в процессе, известном как плазмогамия . Попав внутрь объединенной клеточной мембраны, ядра называются пронуклеусами . После слияния клеточных мембран, цитоплазмы и пронуклеусов образуется диплоидная клетка , содержащая две копии генома. Эта диплоидная клетка, называемая зиготой или зигоспорой , может затем вступить в мейоз (процесс дупликации, рекомбинации и деления хромосом с образованием четырех новых гаплоидных клеток) или продолжить делиться путем митоза . Оплодотворение млекопитающих использует аналогичный процесс для объединения гаплоидных сперматозоидов и яйцеклеток ( гамет ) для создания диплоидной оплодотворенной яйцеклетки.
Термин кариогамия происходит от греческого karyo- (от κάρυον karyon ) «орех» и γάμος gamos «брак». [1]
Гаплоидные организмы, такие как грибы , дрожжи и водоросли , могут иметь сложные клеточные циклы , в которых выбор между половым или бесполым размножением является гибким и часто зависит от окружающей среды. Некоторые организмы, помимо своего обычного гаплоидного состояния, могут также некоторое время существовать в диплоидном состоянии, позволяя происходить генетической рекомбинации . Кариогамия может возникать в любом способе размножения: во время полового цикла или в соматических (нерепродуктивных) клетках. [2]
Таким образом, кариогамия является ключевым шагом в объединении двух наборов различного генетического материала, который может рекомбинировать во время мейоза. У гаплоидных организмов, у которых отсутствуют половые циклы, кариогамия также может быть важным источником генетических вариаций в процессе формирования соматических диплоидных клеток. Формирование соматических диплоидов обходит процесс образования гамет во время цикла полового размножения и вместо этого создает вариации внутри соматических клеток уже развитого организма, такого как гриб . [2]
Роль кариогамии в половом размножении проще всего продемонстрировать на примере одноклеточных гаплоидных организмов, таких как водоросли рода Chlamydomonas или дрожжи Saccharomyces cerevisiae . Такие организмы обычно существуют в гаплоидном состоянии, содержащем только один набор хромосом на клетку. Однако механизм остается во многом одинаковым для всех гаплоидных эукариот. [3]
Под воздействием стресса окружающей среды, такого как азотное голодание в случае Chlamydomonas , клетки стимулируются к образованию гамет . [4] Образование гамет в одноклеточных гаплоидных организмах, таких как дрожжи, называется споруляцией , что приводит к множеству клеточных изменений, которые повышают устойчивость к стрессу. Формирование гамет у многоклеточных грибов происходит в гаметангии , органе, специализированном для такого процесса, обычно путем мейоза. [5] Когда встречаются противоположные типы спаривания , они вынуждены покинуть вегетативный цикл и войти в цикл спаривания. У дрожжей существует два типа спаривания: а и альфа. [6] У грибов может быть два, четыре или даже до 10 000 типов спаривания, в зависимости от вида. [7] [8] Распознавание партнера у простейших эукариот достигается посредством передачи сигналов феромонов , которые индуцируют образование shmoo (проекции клетки) и начинают процесс организации и миграции микротрубочек. Феромоны, используемые при распознавании типа спаривания, часто представляют собой пептиды, но иногда триспоровую кислоту или другие молекулы, распознаваемые клеточными рецепторами противоположной клетки. Примечательно, что передача сигналов феромонов отсутствует у высших грибов, таких как шампиньоны. [3]
Клеточные мембраны и цитоплазма этих гаплоидных клеток затем сливаются вместе в процессе, известном как плазмогамия . В результате образуется одна клетка с двумя ядрами, известными как пронуклеусы . Затем пронуклеусы сливаются вместе в хорошо регулируемом процессе, известном как кариогамия. Это создает диплоидную клетку, известную как зигота или зигоспора , [4] которая затем может вступить в мейоз — процесс дупликации хромосом, рекомбинации и деления клеток, чтобы создать четыре новые гаплоидные гаметы. Одним из возможных преимуществ полового размножения является то, что оно приводит к большей генетической изменчивости, предоставляя возможность адаптации посредством естественного отбора. Еще одним преимуществом является эффективная рекомбинационная репарация повреждений ДНК во время мейоза. Таким образом, кариогамия является ключевым шагом в объединении разнообразного генетического материала для обеспечения рекомбинации в мейозе. [3]
Amoebozoa — это большая группа преимущественно одноклеточных видов, у которых недавно было обнаружено наличие механизмов кариогамии и мейоза . [9] Поскольку амебоза рано отделилась от генеалогического древа эукариот, это открытие предполагает, что кариогамия и мейоз присутствовали на ранних этапах эволюции эукариот .
Конечная цель кариогамии — слияние двух гаплоидных ядер. Первым шагом в этом процессе является движение двух пронуклеусов навстречу друг другу, которое происходит непосредственно после плазмогамии. Каждый пронуклеус имеет тело полюса веретена , которое встроено в ядерную оболочку и служит точкой прикрепления микротрубочек . Микротрубочки, важный волокнообразный компонент цитоскелета , выходят из тела полюса веретена. Точка прикрепления к телу полюса веретена отмечает отрицательный конец, а плюсовой конец простирается в цитоплазму . Плюс-конец играет нормальную роль в митотическом делении , но во время ядерного конгресса плюс-концы перенаправляются. Плюсовые концы микротрубочек прикрепляются к противоположному пронуклеусу, что приводит к притягиванию двух пронуклеусов друг к другу. [10]
Движение микротрубочек опосредуется семейством моторных белков , известных как кинезины , таких как Kar3 у дрожжей. Вспомогательные белки, такие как Spc72 у дрожжей, действуют как клей, соединяя моторный белок, тело полюса веретена и микротрубочки в структуру, известную как полумост. Другие белки, такие как Kar9 и Bim1 у дрожжей, прикрепляются к плюсовому концу микротрубочек. Они активируются сигналами феромонов и прикрепляются к кончику шму. Шму — это проекция клеточной мембраны, которая является местом первоначального слияния клеток при плазмогамии. После плазмогамии плюс-концы микротрубочек продолжают расти в направлении противоположного пронуклеуса. Считается, что растущий плюс-конец микротрубочки прикрепляется непосредственно к моторному белку противоположного пронуклеуса, вызывая реорганизацию белков полумоста. Сила, необходимая для миграции, возникает непосредственно в ответ на это взаимодействие. [11]
Были предложены две модели ядерного конгресса: скользящий поперечный мост и модель плюсового конца. В модели скользящих поперечных мостиков микротрубочки идут антипараллельно друг другу на всем расстоянии между двумя пронуклеусами, образуя поперечные связи друг с другом, и каждая из них прикрепляется к противоположному ядру на плюсовом конце. Это любимая модель. Альтернативная модель предполагает, что плюсовые концы соприкасаются друг с другом на полпути между двумя пронуклеусами и лишь слегка перекрываются. В любой модели считается, что укорочение микротрубочек происходит на плюс-конце и требует Kar3p (у дрожжей), члена семейства кинезин -подобных белков. [10]
Было показано, что организация микротрубочек в цитоскелете важна для правильной ядерной конгрессии во время кариогамии. Дефектная организация микротрубочек приводит к полному нарушению кариогамии, но не полностью прерывает мейоз и образование спор у дрожжей. Неудача возникает потому, что процесс ядерной конгрессии не может происходить без функциональных микротрубочек. Таким образом, пронуклеусы не подходят достаточно близко друг к другу, чтобы слиться вместе, и их генетический материал остается разделенным. [12]
Слияние ядерных оболочек пи происходит в три этапа: слияние внешней мембраны, слияние внутренней мембраны и слияние тел полюсов веретена. У дрожжей для слияния ядерных мембран необходимы несколько членов семейства белков Kar, а также протамин . Протамин Prm3 расположен на внешней поверхности каждой ядерной мембраны и необходим для слияния внешней мембраны. Точный механизм не известен. Kar5, кинезиноподобный белок, необходим для увеличения расстояния между внешней и внутренней мембранами в результате явления, известного как расширение моста. Считается, что Kar8 и Kar2 необходимы для слияния внутренних мембран. [13] Как описано выше, реорганизация вспомогательных и моторных белков во время миграции пронуклеаров также служит для ориентации тел полюсов веретена в правильном направлении для эффективной ядерной конгресса. Ядерный конгресс все еще может проходить без этой предварительной ориентации тел полюсов веретена, но он происходит медленнее. В конечном итоге два пронуклеуса объединяют содержимое своих нуклеоплазм и образуют единую оболочку вокруг результата. [11]
Хотя грибы обычно гаплоидны, диплоидные клетки могут возникать по двум механизмам. Первый представляет собой отказ митотического веретена во время регулярного деления клеток и не связан с кариогамией. Полученная клетка может быть только генетически гомозиготной , поскольку она образуется из одной гаплоидной клетки. Второй механизм, включающий кариогамию соматических клеток, может производить гетерозиготные диплоиды, если два ядра различаются по генетической информации. Формирование соматических диплоидов обычно встречается редко и, как полагают, происходит из-за мутации гена-репрессора кариогамии (KR). [2]
Однако есть несколько грибов, которые существуют преимущественно в диплоидном состоянии. Одним из примеров является Candida albicans , грибок, обитающий в желудочно-кишечном тракте многих теплокровных животных, включая человека. Хотя C. albicans обычно безвреден, он может стать патогенным и представляет собой особую проблему у пациентов с ослабленным иммунитетом. В отличие от большинства других грибов, диплоидные клетки разных типов спаривания сливаются, образуя тетраплоидные клетки, которые впоследствии возвращаются в диплоидное состояние, теряя хромосомы. [14]
Млекопитающие, включая человека, также комбинируют генетический материал из двух источников — отца и матери — при оплодотворении . Этот процесс аналогичен кариогамии. Как и при кариогамии, микротрубочки играют важную роль в оплодотворении и необходимы для соединения ДНК сперматозоида и яйцеклетки ( ооцита ). [15] Такие препараты, как гризеофульвин , которые влияют на микротрубочки, предотвращают слияние сперматозоида и пронуклеусов яйцеклетки. Ген KAR2, который играет большую роль в кариогамии, имеет аналог у млекопитающих под названием Bib/GRP78. [16] В обоих случаях генетический материал объединяется для создания диплоидной клетки, которая имеет большее генетическое разнообразие, чем любой исходный источник. [17] Вместо слияния, как это происходит у низших эукариот при кариогамии, ядро спермия образует пузырьки, а его ДНК деконденсируется. Центриоль спермия действует как центр организации микротрубочек и образует звезду, которая распространяется по всей яйцеклетке до тех пор, пока не соприкоснется с ядром яйцеклетки. Два пронуклеуса мигрируют навстречу друг другу, а затем сливаются, образуя диплоидную клетку. [18]