Кариогамия: слияние ядер эукариотических клеток.

Введение

Слияние ядер двух гаплоидных эукариотических клеток.

Кариогамия – это заключительная стадия процесса слияния двух гаплоидных эукариотических клеток, относящаяся конкретно к слиянию их ядер. До кариогамии каждая гаплоидная клетка содержит одну полную копию генома организма. Для осуществления кариогамии клеточная мембрана и цитоплазма каждой клетки должны слиться в процессе, известном как плазмогамия. После попадания ядер в объединенную клетку они называются пронуклеусами. После слияния клеточных мембран, цитоплазмы и пронуклеусов образуется единая 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 деление посредством митоза. Оплодотворение у млекопитающих использует сопоставимый процесс для объединения гаплоидных сперматозоидов и яйцеклеток (гамет) с образованием диплоидной зиготы. Термин "кариогамия" происходит от греческих слов "карио" (от κάρυον karyon) – "орех" и "гамос" (γάμος gamos) – "брак".

Значение в гаплоидных организмах

Гаплоидные организмы, такие как грибы, дрожжи и водоросли, могут иметь сложные клеточные циклы, в которых выбор между половым и бесполым размножением является гибким и часто зависит от окружающей среды. Некоторые организмы, помимо своего обычного гаплоидного состояния, могут также существовать в диплоидном состоянии в течение короткого времени, что позволяет происходить генетической рекомбинации. Кариогамия может происходить как в половом цикле, так и в соматических (не репродуктивных) клетках. Образование гамет у одноклеточных гаплоидных организмов, таких как дрожжи, называется споруляцией, что приводит к множественным клеточным изменениям, повышающим устойчивость к стрессу. Образование гамет у многоклеточных грибов происходит в гаметангиях – органах, специализированных для этого процесса, обычно посредством мейоза. Когда встречаются противоположные типы спаривания, они стимулируются к выходу из вегетативного цикла и переходу в цикл спаривания. У дрожжей существует два типа спаривания: a и α. У грибов может быть два, четыре или даже до 10 000 типов спаривания, в зависимости от вида. Распознавание партнера у наиболее простых эукариот осуществляется посредством феромонной сигнализации, которая индуцирует образование shmoo (выроста клетки) и запускает процесс организации и миграции микротрубочек. Феромоны, используемые для распознавания типа спаривания, часто являются пептидами, но иногда – триспориновой кислотой или другими молекулами, распознаваемыми клеточными рецепторами на противоположной клетке. Важно отметить, что феромонная сигнализация отсутствует у высших грибов, таких как шляпочные грибы. Затем клеточные мембраны и цитоплазма этих гаплоидных клеток сливаются в процессе, известном как плазмогамия. В результате образуется одна клетка с двумя ядрами, называемыми пронуклеусами. Затем пронуклеусы сливаются в хорошо регулируемом процессе, известном как кариогамия. Это создает диплоидную клетку, известную как зигота или зигоспора. Поскольку Amoeboza отделилась на ранних этапах от эволюционного древа эукариот, это открытие позволяет предположить, что кариогамия и мейоз присутствовали на ранних этапах эволюции эукариот.

Проядерная миграция

Конечная цель кариогамии – слияние двух гаплоидных ядер. Первый шаг в этом процессе – движение двух пронуклеусов навстречу друг другу, которое происходит непосредственно после плазмогамии. Каждый пронуклеус содержит спиндольный центр, встроенный в ядерную оболочку и служащий точкой прикрепления для микротрубочек. Микротрубочки, важный волокнистый компонент цитоскелета, отходят от спинделиольного центра. Точка прикрепления к спинделиольному центру обозначает минус-конец, а плюс-конец простирается в цитоплазму. Плюс-концы выполняют нормальные функции в митотическом делении, но во время ядерной конгрессии плюс-концы перенаправляются. Плюс-концы микротрубочек прикрепляются к противоположному пронуклеусу, что приводит к сближению двух пронуклеусов. Движение микротрубочек опосредовано семейством моторных белков, известных как кинезины, таких как Kar3 у дрожжей. Вспомогательные белки, такие как Spc72 у дрожжей, действуют как клей, соединяя моторный белок, спинделиольный центр и микротрубочки в структуру, известную как полумост. Другие белки, такие как Kar9 и Bim1 у дрожжей, прикрепляются к плюс-концам микротрубочек. Они активируются феромонными сигналами для прикрепления к шмуо-кончику. Шмуо – это проекция клеточной мембраны, являющаяся местом начального слияния клеток при плазмогамии. После плазмогамии плюс-концы микротрубочек продолжают расти в направлении противоположного пронуклеуса. Предполагается, что растущий плюс-конец микротрубочки прикрепляется непосредственно к моторному белку противоположного пронуклеуса, вызывая реорганизацию белков на полумостике. Необходимая для миграции сила возникает непосредственно в ответ на это взаимодействие. Предложено две модели ядерной конгрессии: модель скользящего перекрестного моста и модель плюс-конца. В модели скользящего перекрестного моста микротрубочки проходят антипараллельно друг другу на всем протяжении между двумя пронуклеусами, образуя перекрестные связи и прикрепляясь к противоположному ядру на плюс-конце. Эта модель является предпочтительной. Альтернативная модель предполагает, что плюс-концы контактируют друг с другом посередине между двумя пронуклеусами и лишь незначительно перекрываются. В любой модели считается, что укорочение микротрубочек происходит на плюс-конце и требует Kar3p (у дрожжей), члена семейства кинезин-подобных белков.

The ultimate goal of karyogamy is fusion of the two haploid nuclei. The first step in this process is the movement of the two pronuclei toward each other, which occurs directly after plasmogamy. Each pronucleus has a spindle pole body that is embedded in the nuclear envelope and serves as an attachment point for microtubules. Microtubules, an important fiber like component of the cytoskeleton, emerge at the spindle pole body. The attachment point to the spindle pole body marks the minus end, and the plus end extends into the cytoplasm. The plus end has normal roles in mitotic division, but during nuclear congression, the plus ends are redirected. The microtubule plus ends attach to the opposite pronucleus, resulting in the pulling of the two pronuclei toward each other. Microtubule movement is mediated by a family of motor proteins known as kinesins, such as Kar3 in yeast. Accessory proteins, such as Spc72 in yeast, act as a glue, connecting the motor protein, spindle pole body and microtubule in a structure known as the half bridge. Other proteins, such as Kar9 and Bim1 in yeast, attach to the plus end of the microtubules. They are activated by pheromone signals to attach to the shmoo tip. A shmoo is a projection of the cellular membrane which is the site of initial cell fusion in plasmogamy. After plasmogamy, the microtubule plus ends continue to grow towards the opposite pronucleus. It is thought that the growing plus end of the microtubule attaches directly to the motor protein of the opposite pronucleus, triggering a reorganization of the proteins at the half bridge. The force necessary for migration occurs directly in response to this interaction. Two models of nuclear congression have been proposed: the sliding cross bridge, and the plus end model. In the sliding cross bridge model, the microtubules run antiparallel to each other for the entire distance between the two pronuclei, forming cross links to each other, and each attaching to the opposite nucleus at the plus end. This is the favored model. The alternative model proposes that the plus ends contact each other midway between the two pronuclei and only overlap slightly. In either model, it is believed that microtubule shortening occurs at the plus end and requires Kar3p (in yeast), a member of a family of kinesin like proteins.

Проядерный синтез (кариогамия)

Слияние ядерных оболочек происходит в три этапа: слияние внешней мембраны, слияние внутренней мембраны и слияние тел шпиндельных полюсов. У дрожжей для слияния ядерных мембран требуется несколько членов семейства белков Kar, а также протоамин. Протамин Prm3 расположен на внешней поверхности каждой ядерной мембраны и необходим для слияния внешней мембраны. Точный механизм неизвестен. Kar5, белок, подобный кинезину, необходим для увеличения расстояния между внешней и внутренней мембранами в явлении, известном как расширение мостика. Считается, что Kar8 и Kar2 необходимы для слияния внутренних мембран. Как описано выше, реорганизация вспомогательных и моторных белков во время миграции пронуклеусов также способствует ориентации тел шпиндельных полюсов в правильном направлении для эффективной конгрессии ядер. Конгрессия ядер может происходить и без этой предварительной ориентации тел шпиндельных полюсов, но она протекает медленнее. В конечном итоге два пронуклеуса объединяют содержимое своей нуклеоплазмы и формируют единую оболочку вокруг образовавшегося ядра. Однако существуют грибы, которые в основном находятся в диплоидном состоянии. Одним из примеров является Candida albicans, гриб, обитающий в желудочно-кишечном тракте многих теплокровных животных, включая человека. Хотя обычно безвредна, C. albicans может становиться патогенной и представляет особую проблему для 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.

Сходства и различия с оплодотворением млекопитающих

В процессе оплодотворения млекопитающие, включая людей, также объединяют генетический материал от двух источников – от отца и матери. Этот процесс аналогичен кариогамии. Как и при кариогамии, микротрубочки играют важную роль в оплодотворении и необходимы для соединения ДНК сперматозоида и яйцеклетки (ооцита). Препараты, такие как гризеофулвин, которые вмешиваются в работу микротрубочек, предотвращают слияние пронуклеусов сперматозоида и яйцеклетки. Ген KAR2, играющий важную роль в кариогамии, имеет гомолог у млекопитающих, называемый Bib/GRP78. В обоих случаях генетический материал объединяется для создания диплоидной клетки, обладающей большим генетическим разнообразием, чем любой из исходных источников. В отличие от слияния, происходящего у низших эукариот при кариогамии, ядро сперматозоида везикулируется, а его ДНК деконденсируется. Центриоль сперматозоида функционирует как центр организации микротрубочек и формирует астер, который распространяется по всей яйцеклетке до контакта с ядром яйцеклетки. Два пронуклеуса мигрируют навстречу друг другу и затем сливаются, образуя диплоидную клетку.