Saccharomyces cerevisiae

La levadura de cerveza (Saccharomyces cerevissiae) es un hongo unicelular,es un tipo de levadura utilizado industrialmente en la fabricación del pan, cerveza y vino. Se divide por gemación y puede tener una reproducción asexual cuando se encuentra en su forma haploide, y de manera sexual cuando a partir de un cigoto se forma un asca que contiene cuatro ascosporas haploides.

Saccharomyces cerevisiae es uno de los modelos más adecuados para el estudio de problemas biológicos. Es un sistema eucariota, con una complejidad sólo ligeramente superior a la de la bacteria pero compartiendo con ella muchas de sus ventajas técnicas. Además de su rápido crecimiento, dispersión de las células y la facilidad con que se replican cultivos y aíslan mutantes, destaca por un sencillo y versátil sistema de transformación de ADN. Por otro lado, la ausencia de patogenicidad permite su manipulación con las mínimas precauciones.

S. cerevisiae es un sistema genético que, a diferencia de la mayoría de otros microorganismos, presenta dos fases biológicas estables: haploide y diploide. La fase haploide permite generar, aislar y caracterizar mutantes con mucha facilidad, mientras que en la diploide se pueden realizar estudios de complementación. Una levadura haploide contiene 16 cromosomas variando en tamaño de 200 a 2200 kilobases (kb).

Una ventaja adicional de este microorganismo consiste en que se conoce la secuencia completa de su genoma y se mantiene en constante revisión. Ello ha permitido la manipulación genética de los casi 6600 genes que codifica el genoma de levadura, el uso extensivo de micromatrices de ADN para investigar el transcriptoma y estudios a escala genómica de, entre otros muchos aspectos, la expresión génica, localización de proteínas y la organización funcional del genoma y el proteoma.

La maquinaria molecular de muchos procesos celulares se encuentra conservada tanto en levadura como en plantas y en mamíferos. Esto se ilustra con el hecho de que rutinariamente se han introducido genes de eucariotas superiores en levadura para el análisis sistemático de su función. Por estas razones S. cerevisiae se ha convertido en una importante herramienta a gran escala de análisis de genómica funcional, proporcionando un punto de partida para el análisis de organismos eucariotas más complejos.Al ser un organismo unicelular con una tasa de crecimiento rápida, la levadura se puede utilizar para los estudios de células que resultarían muy complicados o costosos en organismos multicelulares.

Las utilidades industriales más importantes de esta levadura son la producción de cerveza, pan y vino, gracias a su capacidad de generar dióxido de carbono y etanol durante el proceso de fermentación. Básicamente este proceso se lleva a cabo cuando esta levadura se encuentra en un medio muy rico en azúcares (como la D-glucosa). En condiciones de escasez de nutrientes, la levadura utiliza otras rutas metabólicas que le permiten obtener un mayor rendimiento energético, y por tanto no realiza la fermentación.

Desde el punto de vista científico, este microorganismo se ha empleado como modelo simple de la célula eucariota. Esto se debe a una serie de ventajas como su facilidad de cultivo y su velocidad de división celular (aproximadamente dos horas).

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Necesidades mínimas para el crecimiento de S. cerevisiae

• Fuente de carbono: azúcares
• Fuente de nitrógeno: sulfato amónico, urea o aminoácidos
• Biotina, también llamada vitamina B8 o vitamina H
• Sales y elementos traza

Apareamiento en levaduras

El apareamiento sexual de las levaduras sólo puede ocurrir entre células haploides de distinto sexo. Se definen por tanto dos tipos sexuales de levaduras, las células a y las celulas alfa. En el caso de las levaduras la determinación sexual no se debe a un cromosoma distinto entre géneros sino más bien a una diferencia en un único locus. Dicho locus se conoce con el nombre de MAT y gobierna el comportamiento sexual entre células haploides y células diploides.

Ciclo sexual de Saccharomyces cerevisiae

Las levaduras pueden ser haploides o diploide según el estadio del ciclo, no obstante ambos tipos celulares son estables y se pueden reproducir de forma asexual mediante mitosis. La división es por gemación, es decir, las células hijas son de tamaño inferior al de las células madre. Como ya se ha comentado anteriormente sólo las celulas haploides se pueden reproducir sexualmente por lo que si una celula de tipo a se encuentra con una celula del tipo α se fusionarán en una sola célula, la cual también sufrirá una fusión de nucleos, formándose un diploide estable y que también es capaz de reproducirse de forma asexual. Cuando las condiciones exteriores son desfavorables para las células diploides, sobreviene la meiosis que provocará la aparición de cuatro esporas haploides, en donde dos de ellas serán de tipo sexual a y las otras dos de tipo sexual α.

Diferencias entre celulas a y α

Las células a producen el "Factor a", que es una feromona peptídica que indica la presencia de células de ese mismo tipo a celulas del sexo opuesto. Las celulas a no responderán en ningún caso al factor a, pero si lo harán si en las inmediaciones existe Factor α. Este tipo de respuesta desencadena la formación de una protuberancia en las células hacia la fuente de las feromonas de sexo contrario y es reciproco. En la actualidad se conocen las bases moleculares que rigen este comportamiento, el cual se debe a la transcripción o represión de genes en los dos tipos sexuales de levaduras. Las células a transcriben los genes que producirán el factor a, además de un receptor de membrana que se conoce con el nombre de Ste2p. Dicho receptor es capaz de unirse al factor α y desencadenar una serie de señales intracelulares mediada por la proteína G. Además las celulas a reprimen la expresión de los genes que formarán las proteínas necesarias para la síntesis del factor α y el receptor de membrana Ste3p. En las celulas α ocurre exactamente lo contrario a lo descrito anteriormente. Todas estas diferencias entre activación y represión transcripcional son causadas por la presencia de uno de los dos alelos de un locus denominado MAT: MATa o Matα. El alelo Mata condifica para una única proteína denominada a1. El alelo Matα codifica para α1 y α2, que en los haploides dirigen la transcripción del programa específico de las células α.

Diferencias entre células haploides y diploides

Las células haploides de cualquiera de los sexo responde a la feromona producida por el sexo contrario. Las células de sexo opuesto podrán fusionarse, formando una célula diploide. Las células haploides nunca podrán realizar la meiosis en condiciones normales. Por el contrario las células diploides no producen ni responden ninguno de los dos tipos de feromonas y por el contrario si pueden realizar meiosis bajo condiciones ambientales muy determinadas. Al igual que existen patrones de expresión génica entre células a y α, también existen diferencias entre la expresión génica entre células haploides y diploides. Un ejemplo de este último caso es por ejemplo el caso de la endonucleasa HO, que es expresada en las células haploides o el caso de IME1 cuya expresión está reprimida en los diploides. Las diferencias entre los patrones de expresión entre haploides y diploides son producidos por el locus MAT. Las células haploides sólo contienen una copia del locus MAT, en cualquiera de sus varientes alélicas y que determinará el sexo de la célula. Los diploides resultan de la fusión celular entre células de distinto sexo, por lo que presentan los dos loci. La combinación en la información contenida en ambos loci genera el programa transcripcional, es decir la combinación entre las proteínas a1, α1 y α2.

Cambio sexual en Levaduras

Una levadura haploide es capaz de cambiar de sexo. De tal forma que si una única célula de tipo a o α está en un medio sin la presencia del sexo contrario, al cabo de unas cuantas generaciones se observa la presencia de la feromona contraria y un incremento en células diploides. Esta aparición de diploides puede ser tan alta que desplaza a la población de haploides, ya que esta última población tienen una alta tendencia a aparearse. Las cepas de levaduras utilizadas en los laboratorios no suelen realizar este cambio de sexo debido a que están alteradas en el gen HO que es determinante para el cambio de sexo. Lo que genera una propagación estable de cualquiera de los tipos celulares de los haploides, y nunca se llegan a formar diploides, en condiciones normales.

HML y HMR

¿Cómo pueden cambiar las levaduras de sexo si este fenotipo viene dado por un único locus MAT?, la respuesta es simple, las levaduras poseen copias del locus MAT que están silenciadas y por tanto no interfieren en la determinación sexual. Cuando se produce un cambio en el sexo de las levaduras se produce un reemplazamiento génico del locus MAT por una de las copias adicionales. Las copias silenciosas se denominan HML, que generalmente lleva una copia silenciosa del alelo MATα, y HMR, que generalmente lleva una copia silenciosa del alelo MATa. Ambos loci se encuentran en el cromosoma III y están situados a derecha (HMR, donde la R es de right) y a izquierda(HML, donde la L es de left) del locus MAT en cualquiera de sus variantes alélicas.

Mecanismo del cambio sexual

El proceso de cambio sexual en levaduras viene dado por la conversion génica iniciada por la endonucleasa HO. La expresión de dicha endonucleasa está regulada especificamente en los haploides y sólo es activa en las células haploides durante la fase de ciclo celular G1. La endonucleasa HO genera un corte específico en el ADN del locus MAT. Una vez se realiza el corte, exonucleasas atacan los extremos libres generados, produciéndose la degradación del locus MAT en ambos sentidos. Este ausencia de parte de un locus, genera la activación de sistemas de reparación del ADN que conllevan el reemplazamiento del locus ausente por una de las copias adicionales HMR o HML.

Direccionalidad del cambio sexual

Por razones que todavía no se conocen muy bien, la reparación del locus MAT cortado por la endonucleasa HO permite el cambio sexual ya que por norma general se reemplaza por el alelo contrario al que estaba en un principio. De esta forma cuando una célula a decide realizar un cambio sexual el alelo MATa es degradado y reemplazado por la copia HML. Esto resulta en el cese de la expresión del antiguo MATa y el inicio de la expresión del nuevo MATα con todo lo que esto conlleva.

Genoma de S. cerevisiae

El genoma de esta levadura contiene un conjunto de dieciséis cromosomas completamente caracterizados. Sus tamaños oscilan desde 200 a 2.200 kb. Se calcula que aproximadamente debe contener unos 6200 marcos abiertos de lectura, o genes.

Patogenia

Saccharomyces cerevisiae no se considera un patógeno común. Actualmente cobra importancia su papel oportunista en sepsis en enfermos de leucemia y otras infecciones oportunistas en enfermos de sida.

Referencias

Lewin B (2001). Genes VII. Marban

Enlaces externos

• ciclo vital de S. cerevisiae (en inglés)
• Saccharomyces Genome Database