La 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 tiene una copia completa del genoma del organismo . Para que se produzca la cariogamia, la membrana celular y el citoplasma de cada célula deben fusionarse con la otra 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 zigospora, puede entonces 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 ) 'nuez' y γάμος gamos 'matrimonio'. [1]
Los organismos haploides, como los hongos , las levaduras y las algas , pueden tener ciclos celulares complejos , en los que la elección entre reproducción sexual o asexual es fluida y, a menudo, está influida 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 cualquiera de los modos de reproducción: durante el ciclo sexual o en células somáticas (no reproductivas). [2]
Por lo tanto, la cariogamia es el paso clave para unir dos conjuntos de material genético diferente que pueden recombinarse durante la meiosis. En los 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 diploides somáticas . 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 . [2]
El papel de la cariogamia en la reproducción sexual se puede demostrar de forma más sencilla en organismos haploides unicelulares como las algas del género Chlamydomonas o la levadura Saccharomyces cerevisiae . Estos organismos existen normalmente en un estado haploide, conteniendo sólo un juego de cromosomas por célula. Sin embargo, el mecanismo sigue siendo en gran medida el mismo entre todos los eucariotas haploides. [3]
Cuando se someten a estrés ambiental, como la falta de nitrógeno en el caso de Chlamydomonas , las células son inducidas a formar gametos . [4] La formación de gametos en organismos haploides unicelulares como la levadura se llama esporulación , lo que resulta en 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. [5] Cuando los tipos de apareamiento opuestos se encuentran, se les induce a abandonar el ciclo vegetativo y entrar en el ciclo de apareamiento. En la levadura, hay dos tipos de apareamiento, a y α. [6] En los hongos, puede haber dos, cuatro o incluso hasta 10.000 tipos de apareamiento, dependiendo de la especie. [7] [8] El reconocimiento de pareja en los eucariotas más simples se logra a través de la 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 para el reconocimiento del tipo de apareamiento suelen ser péptidos, pero a veces ácido trispórico u otras moléculas, que son reconocidas por los receptores celulares de la célula opuesta. Cabe destacar que la señalización por feromonas está ausente en hongos superiores como los champiñones. [3]
Las membranas celulares y el citoplasma de estas células haploides 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 [4] , que luego puede entrar en meiosis , un proceso de duplicación cromosómica, recombinación y división celular, para crear cuatro nuevas células gameto haploides. Una posible ventaja de la reproducción sexual es que da como resultado una mayor variabilidad genética, lo que brinda la oportunidad de adaptación a través de la selección natural. Otra ventaja es la reparación recombinatoria eficiente de los daños del ADN durante la meiosis. Por lo tanto, la cariogamia es el paso clave para reunir una variedad de material genético con el fin de garantizar la recombinación en la meiosis. [3]
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 . [9] Dado que los amoebozoos se separaron temprano del árbol genealógico eucariota, este hallazgo sugiere que la cariogamia y la meiosis estaban presentes temprano en la evolución eucariota .
El objetivo final de la cariogamia es la fusión de los dos núcleos haploides. El primer paso en este proceso es el movimiento de los dos pronúcleos uno hacia el otro, que ocurre directamente 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 componente importante similar a la fibra del citoesqueleto , emergen en el cuerpo polar del huso. El punto de unión al cuerpo polar del huso marca el extremo negativo, y el extremo positivo se extiende hacia el citoplasma . El extremo positivo tiene funciones normales en la división mitótica , pero durante la constitución nuclear, los extremos positivos se redirigen. Los extremos positivos de los microtúbulos se unen al pronúcleo opuesto, lo que resulta en la atracción de los dos pronúcleos uno hacia el otro. [10]
El movimiento de los microtúbulos está mediado por una familia de proteínas motoras conocidas como kinesinas , como Kar3 en la levadura. Las proteínas accesorias, como Spc72 en la levadura, actúan como un pegamento, conectando la proteína motora, el cuerpo del polo del huso y el microtúbulo en una estructura conocida como el medio puente. Otras proteínas, como Kar9 y Bim1 en la levadura, se unen al extremo positivo de los microtúbulos. Se activan mediante señales de feromonas para unirse a la punta 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 del microtúbulo 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. [11]
Se han propuesto dos modelos de constitución nuclear: el modelo de 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 se contacten entre sí a mitad de camino entre los dos pronúcleos y solo se superpongan ligeramente. En ambos 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 la quinesina . [10]
Se ha demostrado que la organización de los microtúbulos en el citoesqueleto es esencial para la adecuada constitución nuclear durante la cariogamia. Una organización defectuosa de los microtúbulos provoca un fracaso total de la cariogamia, pero no interrumpe totalmente la meiosis ni la producción de esporas en la levadura. El fracaso se produce porque el proceso de constitución nuclear no puede producirse sin microtúbulos funcionales. Por tanto, los pronúcleos no se aproximan lo suficiente entre sí para fusionarse y su material genético permanece separado. [12]
La fusión de las envolturas nucleares del pi ocurre en tres pasos: fusión de la membrana externa, fusión de la membrana interna y fusión de los cuerpos polares del huso. En la levadura, varios miembros de la familia de proteínas Kar, así como una protamina , son necesarios para la fusión de las membranas nucleares. La protamina Prm3 se encuentra en la superficie externa de cada membrana nuclear y es necesaria para la fusión de la membrana externa. El mecanismo exacto no se conoce. Kar5, una proteína similar a la kinesina, 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. [13] Como se describió anteriormente, la reorganización de las proteínas accesorias y motoras durante la migración pronuclear también sirve para orientar los cuerpos polares del huso en la dirección correcta para una constitución nuclear eficiente. La constitución nuclear todavía puede tener lugar sin esta preorientación de los cuerpos polares del huso, pero es más lenta. Finalmente, los dos pronúcleos combinan el contenido de sus nucleoplasmas y forman una única envoltura alrededor del resultado. [11]
Aunque los hongos son normalmente 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 solo puede ser genéticamente homocigota ya que se produce a partir de una célula haploide. El segundo mecanismo, que implica la cariogamia de las 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). [2]
Sin embargo, hay algunos hongos que existen principalmente en estado diploide. Un ejemplo es Candida albicans , un hongo que vive en los tractos gastrointestinales de muchos animales de sangre caliente, incluidos los humanos. Aunque generalmente es inocuo, C. albicans puede volverse patógeno y es un problema particular en pacientes inmunodeprimidos. A diferencia de la mayoría de los demás hongos, las células diploides de diferentes tipos de apareamiento se fusionan para crear células tetraploides que posteriormente regresan al estado diploide al perder cromosomas. [14]
Los mamíferos, incluidos los humanos, también combinan material genético de dos fuentes (padre y madre) en la fecundación . Este proceso es similar a la cariogamia. Al igual que con la cariogamia, los microtúbulos juegan un papel importante en la fecundación y son necesarios para la unión del ADN del espermatozoide y el óvulo ( ovocito ). [15] Los medicamentos como la griseofulvina que interfieren con los microtúbulos impiden la fusión de los pronúcleos del espermatozoide y el óvulo. El gen KAR2 que juega un papel importante en la cariogamia tiene un análogo mamífero llamado Bib/GRP78. [16] En ambos casos, el material genético se combina para crear una célula diploide que tiene una mayor diversidad genética que cualquiera de las fuentes originales. [17] En lugar de fusionarse de la misma manera que lo hacen los eucariotas inferiores en la cariogamia, el núcleo del espermatozoide se vesicula y su ADN se descondensa. El centríolo del espermatozoide actúa como un centro organizador de microtúbulos y forma un áster que se extiende por todo el óvulo hasta entrar en contacto con el núcleo del óvulo. Los dos pronúcleos migran uno hacia el otro y luego se fusionan para formar una célula diploide. [18]