酵母の交配

酵母Saccharomyces cerevisiaeは、2倍体と1倍体の両方の存在する単純な単細胞真核生物です。酵母の交配は 、半数体間でのみ起こります。半数体は、 aまたはα（alpha）交配型のいずれかであるため、単純な性分化を示します。交配の種類は、単一の遺伝子座MATによって決定され、 MATは半数体細胞と二倍体細胞の両方の性的行動を支配します。遺伝子組換えの形態により、半数体酵母はあらゆる細胞周期と同じ頻度で交配型を切り替えることができます。

Saccharomyces cerevisiaeの交配タイプとライフサイクル

S. cerevisiae （酵母）は、二倍体または半数体として安定して存在できます。半数体および二倍体の両方の酵母細胞は有糸分裂によって繁殖し、娘細胞は母細胞から出芽します。半数体細胞は、安定な二倍体細胞を産生するために（のみα細胞、およびその逆と合わさることができる細胞）反対の接合型の他の半数体細胞と交配することが可能です。二倍体細胞は、通常、栄養欠乏などのストレスの多い状態に直面すると、減数分裂を経て4つの半数体胞子を生成できます。2つの胞子と2つのα胞子です。

a細胞とα細胞の違い

細胞は「-factor」、α細胞に隣接する細胞の存在を知らせる接合フェロモンを生成します。細胞は、α因子の源に向かって（その独特の形状に起因シュムーとして知られている）突起を成長させることにより、α-因子、α細胞交配フェロモン応答します。同様に、α細胞は、α因子を生成し、フェロモンのソースに向かって突起を成長させることによって-factorに応答します。反対の交配型の交配フェロモンに対する一倍体細胞の応答は、α細胞とα細胞間の交配を可能にしますが、同じ交配型の細胞間の交配はできません。

a細胞とα細胞のこれらの表現型の違いは、2つの交配型の細胞で活発に転写および抑制される遺伝子の異なるセットによるものです。細胞は-factorを産生し、細胞内シグナル伝達トリガー因子をαに結合する細胞表面受容体（STE2）を産生する遺伝子を活性化します。細胞は、α細胞であると関連する遺伝子を抑制する。同様に、α細胞は、α因子を産生し、-factorに結合し、応答する細胞表面受容体（STE3）を生成し、α細胞が細胞であると関連する遺伝子を抑制する遺伝子を活性化します。

MAT軌跡

aおよびα細胞を特徴付ける転写抑制と活性化のさまざまなセットは、 MATと呼ばれる遺伝子座の2つの対立遺伝子のいずれかの存在によって引き起こされます：染色体IIIに位置するMAT aまたはMATα 。 MAT遺伝子座は通常、2つの交配タイプ間で共有される配列に基づいて5つの領域（W、X、Y、Z1、およびZ2）に分割されます。違いは、ほとんどの遺伝子とプロモーターを含むY領域（Y aとYα）にあります。

MATは、MATの対立遺伝子は、セルを定義する（例えば、STE2を発現し、STE3を抑制するように）一倍体に特異的な転写プログラムの転写を指示1と呼ばれる遺伝子をコードします。 MATのMATα対立遺伝子はα1およびα2遺伝子をコードします。 これらの遺伝子は、半数体では細胞をα細胞にするα特異的転写プログラム（ STE3の発現、 STE2の抑制など）の転写を指示します。 S. cerevisiaeは、その配列の多くをα2と共有する明らかな機能を持たないa 2遺伝子を持っています。しかし、 カンジダ・アルビカンスのような他の酵母には、機能的で明確なMAT a 2遺伝子があります。

一倍体細胞と二倍体細胞の違い

半数体細胞は2つの交配型（ aまたはα）の1つであり、反対の交配型の半数体細胞によって産生される交配フェロモンに応答し、反対の交配型の細胞と交尾できます。半数体細胞は減数分裂を受けることができません。二倍体細胞は交尾フェロモンを産生または反応せず、交尾しませんが、減数分裂を経て4つの半数体細胞を産生できます。

半数体aとα細胞の違いのように、遺伝子抑制と活性化の異なるパターンは、半数体と二倍体細胞の表現型の違いの原因です。特定の αおよびα転写パターンに加えて、両方の交配型の半数体細胞は、半数体特異的遺伝子（ HOなど）を活性化し、二倍体特異的遺伝子（ IME1など）を抑制する半数体転写パターンを共有します。同様に、二倍体細胞は二倍体特異的遺伝子を活性化し、半数体特異的遺伝子を抑制する。

一倍体と二倍体の異なる遺伝子発現パターンは、 MAT遺伝子座によるものです。半数体細胞は16の染色体のそれぞれのコピーを1つしか含まないため、 MATの対立遺伝子（ MAT aまたはMATαのいずれか）のみを所有でき、これにより交配タイプが決定されます。二倍体細胞は、細胞とα細胞の交配から生じ、したがって、MATに対立遺伝子及びMATα対立遺伝子を保有する別の染色体を保有する1本の染色体を含む32本の染色体（16ペアで）を有します。 MAT a対立遺伝子（ a 1遺伝子）とMATα対立遺伝子（α1およびα2遺伝子）によってエンコードされた情報の組み合わせが、二倍体転写プログラムをトリガーします。同様に、 MAT aであろうとMATαであろうと、 MATの単一の対立遺伝子のみが存在すると、半数体転写プログラムがトリガーされます。

MAT遺伝子座に存在する対立遺伝子は、細胞の接合行動をプログラムするのに十分です。たとえば、遺伝子操作を使用して、 MAT a対立遺伝子をMATα半数体細胞に追加できます。染色体の半数体相補体を持っているにもかかわらず、細胞はMAT aとMATαの両方の対立遺伝子を持ち、二倍体細胞のように振る舞います：接合フェロモンを生成または応答せず、飢 when状態になると減数分裂を試み、致命的な結果になります。同様に、2倍体細胞のMAT遺伝子座の1コピーを削除して、単一のMAT aまたはMATα対立遺伝子のみを残すと、染色体の2倍体相補体を有する細胞が1倍体細胞のように振る舞う。

嵌合する決定

酵母の交配は、Ste2受容体（a細胞）またはSte3受容体（α細胞）のいずれかに結合するフェロモンの存在によって刺激されます。このフェロモンの結合は、ヘテロ三量体Gタンパク質の活性化につながります。このGタンパク質の二量体部分は、Ste5（およびその関連MAPKカスケードコンポーネント）を膜に動員し、最終的にFus3のリン酸化をもたらします。

スイッチングメカニズムは、Fus3タンパク質（MAPKタンパク質）とホスファターゼPtc1間の競合の結果として発生します。これらのタンパク質は両方とも、Ste5の4つのリン酸化部位の制御を試み、Fus3がホスホサイトをリン酸化しようとする足場タンパク質であり、Ptc1がそれらを脱リン酸化しようとします。

α因子の存在は、Ste5ホスホサイト内に位置する4アミノ酸モチーフを介してPtc1のSte5への動員を誘導します。次に、Ptc1はSte5を脱リン酸化し、最終的にFus3-Ste5複合体の解離をもたらします。 Fus3は、4つのホスホサイトのリン酸化状態に応じて、スイッチのように解離します。 Fus3が解離するためには、4つのホスホサイトすべてを脱リン酸化する必要があります。 Ptc1が動員されると、Fus3のPtc1と競合する能力が低下するため、フェロモンの存在により脱リン酸化の速度が増加します。

Fus3のホモログであるKss1は、シュムーイングに影響を与えず、スイッチのような交配決定に寄与しません。

酵母では、shmoosの生産だけでなく交配も、スイッチのようなメカニズムを使用して行われます。このスイッチのようなメカニズムにより、酵母細胞は非常に要求の厳しい手順への賢明な関与を避けることができます。ただし、（エネルギーの浪費を避けるために）交配の決定は保守的である必要があるだけでなく、潜在的な配偶者の損失を避けるために迅速でなければなりません。

交尾の決定は非常に敏感です。この超高感度を維持する方法は3つあります。

複数部位のリン酸化-Fus3はSte5からのみ解離し、4つのリン酸化部位すべてが脱リン酸化されると完全に活性化します。 1つのリン酸化部位でさえ、α因子に対する免疫をもたらします。
2段階のバインド– Fus3とPtc1は、Ste5の個別のドッキングサイトにバインドします。ドッキングした後にのみ、ホスホサイトに結合し、それに作用することができます。
立体障害– Ste3上の4つのホスホサイトを制御するためのFus3とPtc1の競合

嵌合タイプの切り替え

野生型の半数体酵母Aとαとの間の接合型を切り替えることが可能です。したがって、所与の接合型の単一倍体細胞は、酵母のコロニーを設立しても、交配型スイッチングは、集団中に存在する両方のAとα交配型の細胞を引き起こすであろう。半数体細胞が反対の交配型の細胞と交尾し、二倍体を形成するという強い衝動と組み合わされて、交配型の切り替えと結果としての交配は、半数体または二倍体細胞のどちらが設立されたかにかかわらず、コロニー内の細胞の大部分を二倍体にするコロニー。実験室で研究されている酵母株の大部分は、交配型の切り替えを実行できないように変更されています（ HO遺伝子の削除による。以下を参照）。これは、接合型の一倍体細胞は、細胞（およびα細胞がα細胞残る）残るように、一倍体酵母の安定した増殖を可能にし、二倍体を形成しません。

HMLおよびHMR ：サイレントメイティングカセット

MAT遺伝子座に存在する情報を置き換えることにより、半数体酵母スイッチ交配型。たとえば、 a細胞は、 MAT a対立遺伝子をMATα対立遺伝子で置き換えることにより、α細胞に切り替わります。酵母細胞はMAT a及びMATα対立遺伝子の両方の付加的なサイレンシングコピーを運ぶために他のためのマットの一方の対立遺伝子のこの置き換えが可能である：HML（H omothallic Mの ating さL EFT）遺伝子座は、典型的には、MATα対立遺伝子のサイレンシングコピーを運びますそしてHMR（H omothallic mをating器R IGHT）遺伝子座は、典型的には、MAT対立遺伝子のサイレンシングコピーを運びます。サイレントHMLおよびHMR遺伝子座は、サイレントメイティングカセットと呼ばれることが多く、そこに存在する情報はアクティブなMAT遺伝子座に「読み込まれ」ます。

交配型情報のこれらの追加のコピーは発現されないため、 MAT遺伝子座に存在する対立遺伝子の機能を妨害しません。そのため、アクティブMAT遺伝子座に存在するMAT a対立遺伝子を持つ半数体細胞は細胞です。 HMLに存在するMATα対立遺伝子の（サイレンシングされた）コピーもありますが。アクティブなMAT遺伝子座に存在する対立遺伝子のみが転写されるため、 MATに存在する対立遺伝子のみが細胞の行動に影響を与えます。隠れた交配型遺伝子座は、SIRタンパク質によって後成的にサイレンシングされ、サイレント交配カセットからの転写を妨げるヘテロクロマチン足場を形成します。

嵌合型スイッチの機構

交配型の切り替えのプロセスは、 HO遺伝子によって開始される遺伝子変換イベントです。 HO遺伝子は、細胞周期のG1期にのみ半数体細胞で活性化される、厳密に制御された半数体特異的遺伝子です。 HO遺伝子によってコードされるタンパク質は、DNAエンドヌクレアーゼであり、DNAを物理的に切断しますが、 MAT遺伝子座でのみ（HOエンドヌクレアーゼのDNA配列特異性のため）。

HOがMATでDNAを切断すると、切断されたDNA末端にエキソヌクレアーゼが引き付けられ、切断部位の両側でDNAを分解し始めます。エキソヌクレアーゼによるこのDNA分解は、 MAT対立遺伝子をコードするDNAを除去します。ただし、結果として生じるDNAのギャップは、 HMLまたはHMRのいずれかに存在する遺伝情報をコピーすることで修復され、 MAT aまたはMATα遺伝子の新しい対立遺伝子を埋めます。したがって、 HMLおよびHMRに存在するMAT aおよびMATαのサイレンシングされた対立遺伝子は、アクティブなMAT遺伝子座でのHO誘導DNA損傷を修復する遺伝情報のソースとして機能します。

嵌合タイプスイッチの方向性

HOエンドヌクレアーゼによる切断後のMAT遺伝子座の修復は、ほぼ常に交配型スイッチになります。細胞は、MATを MAT遺伝子座に存在する対立遺伝子を切断するとき、MATでカットがほとんど常にHMLに存在する情報をコピーすることによって修復されます。これは、からαへの細胞の接合型を切り替え、MATα対立遺伝子に修復さMATになります。同様に、HOエンドヌクレアーゼにより切断そのMATα対立遺伝子を有するα細胞はほとんど常にHMRに存在する情報、MAT座にMATに遺伝子のコピーとするα細胞の交配型スイッチングを使用して、損傷を修復します。

これは、染色体IIIの左腕にある組換えエンハンサー（RE）の作用の結果です。この領域の欠失は、細胞が誤っHMRを使用して修復する原因となります。細胞において、MCM1は、REに結合し、HML領域の再結合を促進します。 α細胞では、α2因子がREに結合し、REを介して抑制ドメインを確立するため、組換えは起こりにくい。自然バイアスは、デフォルトの動作がHMRからの修復であることを意味します。これらの相互作用の正確なメカニズムはまだ調査中です。

交配と近親交配

Ruderfer et al。 S. cerevisiaeの天然の系統の祖先を分析し、異系交配を含む交配は50,000の細胞分裂ごとに約1回しか発生しないと結論付けました。したがって、自然界では、交配はほとんどの場合、密接に関連する酵母細胞間で行われるようです。交配は、反対の交配型MAT aとMATαの半数体細胞が接触すると起こります。 Ruderfer et al。そのような接触は、2つの理由で密接に関連する酵母細胞間で頻繁に起こることを指摘した。第一は、反対の交配型の細胞が同じ小臼歯、単一の減数分裂によって直接産生された細胞を含む嚢に一緒に存在し、これらの細胞が互いに交尾できることです。 2番目の理由は、1つの交配タイプの半数体細胞は、細胞分裂の際に、しばしば交配できる反対の交配タイプの細胞を生成することです（上記の「交配タイプの切り替え」セクションを参照）。異系交配に起因する減数分裂現象の性質における相対的な希少性は、遺伝的変異の生成がこの生物の交配能力を維持する主要な選択力であるという考えと矛盾しているようです。しかし、この発見は、交配が起こるかどうかに関係なく、交配後の各減数分裂の間にこの利点が実現されるため、交配能力を維持する主要な選択力が減数分裂中のDNA損傷の組換え修復を強化するという別の考えと一致しています

他の酵母

分裂酵母

Schizosaccharomyces pombeは、栄養が制限されているときに交配を行うことができる通性性酵母です。 S. pombeの過酸化水素への曝露は、酸化的DNA損傷を引き起こす酸化的ストレスを引き起こす薬剤であり、交配、減数分裂、減数分裂胞子の形成を強く誘導します。この発見は、減数分裂、特に減数分裂組換えがDNA損傷を修復するための適応であることを示唆しています。 MAT遺伝子座の全体構造は、 S。cerevisiaeの構造と類似しています。嵌合タイプのスイッチングシステムも同様ですが、独立して進化しました。

クリプトコッカスネオフォルマンスの自己交尾

クリプトコッカスネオフォルマンスは、培養中および感染した宿主内で出芽酵母として成長する担子菌です。 C. neoformansは、免疫不全患者で生命を脅かす髄膜脳炎を引き起こします。性周期中に糸状の移行を経て、感染因子と疑われる胞子を生成します。 C. neoformansの環境および臨床分離株の大部分は、交配型αです。フィラメントは通常半数体の核を持っていますが、これらは二倍体化の過程を経て（おそらく内複製または核融合の刺激による）胚盤胞と呼ばれる二倍体細胞を形成します。次に、胚盤胞の二倍体核は、組換えを含む減数分裂を経て、その後分散できる半数体の担子胞子を形成することができます。このプロセスは、単核の結実と呼ばれます。このプロセスに必要なのは、細菌のRecA遺伝子と真核生物のRAD51遺伝子の保存された相同体であるdmc1と呼ばれる遺伝子です。 Dmc1は、DNAの減数分裂および二本鎖切断の修復中に相同染色体ペアを仲介します（Meiosis; Michod et al。を参照）。リンら。 C. neoformansの減数分裂の利点の1つは、感染した宿主の防御反応を含む可能性のあるDNA損傷環境でDNA修復を促進できることを示唆しました。

生物学