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6.3: Sinalização por Leveduras
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Yeast Signaling
 
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6.3: Yeast Signaling

6.3: Sinalização por Leveduras

Overview

Yeasts are single-celled organisms, but unlike bacteria, they are eukaryotes—cells that have a nucleus. Cell signaling in yeast is similar to signaling in other eukaryotic cells. A ligand, such as a protein or a small molecule outside the yeast cell, attaches to a receptor on the cell surface. The binding stimulates second-messenger kinases (enzymes that phosphorylate specific substrates) to activate or inactivate transcription factors that regulate gene expression. Many of the yeast intracellular signaling cascades have similar counterparts in Homo sapiens, making yeast a convenient model for studying intracellular signaling in humans.

Signaling Cascades Drive Yeast Reproduction

Yeasts are members of the fungus kingdom. They use signaling for various functions, especially for reproduction. Yeasts can undergo “sexual” reproduction using mating pheromones, which are peptides—short chains of amino acids. Yeast colonies consist of both diploid and haploid cells. Both types of cells can undergo mitosis, but only diploid cells can undergo meiosis. When diploid cells undergo meiosis, the four resulting haploid cells, called spores, are not identical. In fact, the division of one diploid cell into four spores creates two “sexes” of yeast cells, each two cells of the type MAT-a and MAT-alpha.

MAT-a cells secrete mating signals called pheromones that attract the MAT-alpha cells, and vice versa. The mating pheromones bind to G-protein coupled receptors on the cell membranes. Upon binding, the G-protein initiates a mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade. In this signaling cascade, a member of the MAP kinase protein family specifically phosphorylates another MAP kinase, which phosphorylates another, and so on. The kinases eventually phosphorylate transcription factors that alter the expression of nearly 200 genes to make the cell receptive to mating. These changes produce an elongation of the cell membrane and cytoplasm in the direction of the pheromone. This elongation is called a shmoo, and it continues following the pheromone concentration gradient until it connects with its mate. The two yeast cells merge, combining their chromosomes into a single diploid cell.

Quorum Signaling in Yeast

Even though yeast uses many cell signaling devices that are similar to the signaling mechanisms seen in more complex multicellular organisms, yeast is still individual cells, single-celled organisms, living in colonies, similar to bacteria. Like bacteria, yeast also uses quorum sensing signals between cells and even between colonies. At high cell density, yeast begins to secrete a quorum signal that aggregates individual yeast cells into colonies, with subcolonies expressing specialized functions or geographies. Quorum signals do not have to consist of complex molecules such as proteins. In fact, yeast can produce ammonia, a low-molecular-weight compound, which serves as a quorum signal that separates yeast cells into zones of viability and zones of apoptosis (programmed cell death). At the edges of a colony, where ammonia is least concentrated, cells proliferate. If enough ammonia is produced, it can inhibit the growth of the whole colony as well as the growth of neighboring colonies.

Yeast Can Infect Human Tissues

Yeast infections in humans include thrush (which forms painful white patches in the mouth), Candida esophagitis (thrush that spreads to the esophagus), vaginal yeast infections (causing vaginal pain, itching, and burning), skin itching and rashes including athletes’ foot (tinea pedis), and many others. The most dangerous form of yeast infection occurs when the fungus invades the bloodstream (fungemia). This is a life-threatening condition. All fungal infections spread when the fungi grow and signal to each other as described above.

Visão Geral

As leveduras são organismos unicelulares, mas ao contrário das bactérias, são eucariotas—células que têm um núcleo. A sinalização celular na levedura é semelhante à sinalização em outras células eucarióticas. Um ligando, como uma proteína ou uma pequena molécula fora da célula de levedura, liga-se a um receptor na superfície celular. A ligação estimula as quinases segundos mensageiros (enzimas que fosforilam substratos específicos) para ativar ou inativar fatores de transcrição que regulam a expressão genética. Muitas das cascatas de sinalização intracelular da levedura têm homólogos em Homo sapiens, tornando a levedura um modelo conveniente para estudar a sinalização intracelular em humanos.

Cascatas de Sinalização Guiam a Reprodução de Leveduras

Leveduras são membros do reino dos fungos. Elas usam sinalização para várias funções, especialmente para reprodução. As leveduras podem ser submetidas à reprodução “sexual” usando feromonas de acasalamento, que são peptídeos—cadeias curtas de aminoácidos. As colónias de leveduras consistem em células diplóides e haplóides. Ambos os tipos de células podem sofrer mitose, mas apenas células diplóides podem sofrer meiose. Quando as células diplóides sofrem meiose, as quatro células haplóides resultantes, chamadas esporos, não são idênticas. Na verdade, a divisão de uma célula diplóide em quatro esporos cria dois “sexos” de células de levedura, cada uma com duas células do tipo MAT-a e MAT-alfa.

As células MAT-a secretam sinais de acasalamento chamados feromonas que atraem as células MAT-alfa, e vice-versa. As feromonas de acasalamento ligam-se a receptores acoplados a proteína G nas membranas celulares. Ao ligarem-se, a proteína G inicia uma cascata de proteína quinase ativada por mitogénio (MAP). Nesta cascata de sinalização, um membro da família de proteínas quinase MAP fosforila especificamente outra quinase MAP, que fosforila outra, e assim por diante. As quinases eventualmente fosforilam fatores de transcrição que alteram a expressão de quase 200 genes para tornar a célula receptiva ao acasalamento. Essas alterações produzem um alongamento da membrana celular e citoplasma na direção das feromonas. Este alongamento é chamado de shmoo, e continua a seguir o gradiente de concentração de feromonas até que se liga à sua parceira. As duas células de levedura fundem-se, combinando os seus cromossomas em uma única célula diplóide.

Sinalização de Quórum em Leveduras

Embora as leveduras usem muitos dispositivos de sinalização celular semelhantes aos mecanismos de sinalização vistos em organismos multicelulares mais complexos, as leveduras ainda são células individuais, organismos unicelulares, vivendo em colónias, semelhantes às bactérias. Como as bactérias, as leveduras também usam sinais de comunicação de quórum entre as células e até mesmo entre colónias. Com alta densidade celular, as leveduras começam a segregar um sinal de quórum que agrega células individuais de levedura em colónias, com subcolónias a expressar funções ou geografias especializadas. Os sinais de quórum não têm de consistir em moléculas complexas, como proteínas. Na verdade, a levedura pode produzir amoníaco, um composto de baixo peso molecular, que serve como um sinal de quórum que separa as células de levedura em zonas de viabilidade e zonas de apoptose (morte celular programada). Nas bordas de uma colónia, onde o amoníaco está menos concentrado, as células proliferam. Se for produzido amoníaco suficiente, pode inibir o crescimento de toda a colónia, bem como o crescimento de colónias vizinhas.

Leveduras Podem Infectar Tecidos Humanos

As infecções por leveduras em humanos incluem candidíase (que forma manchas brancas dolorosas na boca), esofagite cândida (candidíase que se espalha para o esófago), infecções vaginais por levedura (causando dor vaginal, comichão, e queimaduras), comichão na pele e erupções cutâneas, incluindo pé de atleta (tinea pedis), e muito mais. A maneira mais perigosa de infecção por levedura ocorre quando o fungo invade a corrente sanguínea (fungemia). Esta é uma condição de risco de vida. Todas as infecções fúngicas espalham-se quando os fungos crescem e sinalizam uns com os outros como descrito acima.


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