Плазматические мембраны клеток содержат комбинации гликосфинголипидов , холестерина и белковых рецепторов, организованных в липидные микродомены гликолипопротеинов, называемые липидными плотами . [1] [2] [3] Их существование в клеточных мембранах остается спорным. Действительно, Кервин и Овердьюн подразумевают, что липидные плоты являются неправильно истолкованными белковыми островками, которые, как они предлагают, образуются посредством протеолипидного кода. [4] Тем не менее, было высказано предположение, что они являются специализированными мембранными микродоменами, которые разделяют клеточные процессы, выступая в качестве организующих центров для сборки сигнальных молекул , что позволяет более тесному взаимодействию белковых рецепторов и их эффекторов способствовать кинетически благоприятным взаимодействиям, необходимым для передачи сигнала. [5] Липидные плоты влияют на текучесть мембраны и транспорт мембранных белков , тем самым регулируя нейротрансмиссию и транспорт рецепторов. [3] [6] Липидные плоты более упорядочены и плотно упакованы, чем окружающий бислой , но свободно плавают внутри мембранного бислоя. [7] Хотя липидные рафты чаще встречаются в клеточной мембране , их также можно обнаружить в других частях клетки, таких как аппарат Гольджи и лизосомы .
Одним из ключевых различий между липидными плотами и плазматическими мембранами, из которых они получены, является липидный состав. Исследования показали, что липидные плоты содержат в 3–5 раз больше холестерина, чем окружающий их бислой. [8] Кроме того, липидные плоты обогащены сфинголипидами , такими как сфингомиелин , уровень которого обычно повышен на 50% по сравнению с плазматической мембраной. Чтобы компенсировать повышенные уровни сфинголипидов, уровни фосфатидилхолина снижаются, что приводит к аналогичным уровням липидов, содержащих холин, между плотами и окружающей плазматической мембраной. Холестерин взаимодействует преимущественно, хотя и не исключительно, со сфинголипидами из-за их структуры и насыщенности углеводородных цепей. Хотя не все фосфолипиды внутри плота полностью насыщены, гидрофобные цепи липидов, содержащихся в плотах, более насыщены и плотно упакованы, чем окружающий бислой. [6] Холестерин является динамическим «клеем», который удерживает плот вместе. [3] Из-за жесткой природы стериновой группы холестерин преимущественно распределяется в липидных плотах, где ацильные цепи липидов имеют тенденцию быть более жесткими и находиться в менее жидком состоянии. [6] Одним из важных свойств мембранных липидов является их амфипатический характер. Амфипатические липиды имеют полярную гидрофильную головную группу и неполярную гидрофобную область. [9] На рисунке справа показана перевернутая конусообразная форма сфингомиелина и конусообразная форма холестерина, основанная на площади пространства, занимаемого гидрофобными и гидрофильными областями. Холестерин может упаковываться между липидами в плотах, выступая в качестве молекулярного спейсера и заполняя любые пустоты между связанными сфинголипидами. [9]
Ритвельд и Саймонс связали липидные рафты в модельных мембранах с несмешиваемостью упорядоченных ( фаза Lo ) и неупорядоченных (фаза Ld или Lα) жидких фаз. [10] Причина этой несмешиваемости неизвестна, но считается, что несмешиваемость минимизирует свободную энергию между двумя фазами. Исследования показали, что существует разница в толщине липидных рафтов и окружающей мембраны, что приводит к гидрофобному несоответствию на границе между двумя фазами. Было показано, что это несоответствие высоты фаз увеличивает линейное натяжение, что может привести к образованию более крупных и более круглых платформ рафтов, чтобы минимизировать энергетические затраты на поддержание рафтов в качестве отдельной фазы. Другие спонтанные события, такие как искривление мембраны и слияние небольших рафтов в более крупные, также могут минимизировать линейное натяжение. [6]
Согласно одному из ранних определений липидных рафтов, липидные рафты отличаются от остальной части плазматической мембраны. Фактически, исследователи [11] [ кто? ] выдвинули гипотезу, что липидные рафты могут быть извлечены из плазматической мембраны. Извлечение будет использовать преимущество устойчивости липидных рафтов к неионным детергентам , таким как Triton X-100 или Brij-98 при низких температурах (например, 4 °C). Когда такой детергент добавляется к клеткам, жидкая мембрана растворяется, в то время как липидные рафты могут оставаться нетронутыми и могут быть извлечены. [ необходима цитата ]
Из-за своего состава и устойчивости к детергентам липидные рафты также называются комплексами мембран, обогащенных детергентами, нерастворимыми в гликолипидах (GEM) [12] или DIG [13] или мембранами, устойчивыми к детергентам (DRM). Однако обоснованность методологии устойчивости к детергентам мембран недавно была поставлена под сомнение из-за неоднозначности в извлеченных липидах и белках и наблюдения, что они также могут вызывать образование твердых областей там, где их раньше не было. [14]
Медиация презентации субстрата. Липидные плоты локализуют пальмитоилированные белки вдали от неупорядоченной области плазматической мембраны. [15] Нарушение локализации, опосредованной пальмитатом , затем позволяет белку подвергаться воздействию его партнера по связыванию или субстрата в неупорядоченной области, механизм активации называется презентацией субстрата . Например, белок часто пальмитоилируется и связывает фосфатидилинозитол 4,5-бифосфат (PIP2). PIP2 является полиненасыщенным и не находится в липидных плотах. Когда уровни PIP2 увеличиваются в плазматической мембране, белок перемещается в кластеры PIP2, где он может быть активирован непосредственно PIP2 (или другой молекулой, которая ассоциируется с PIP2). [16] [17]
Вероятно, существуют и другие функции.
До 1982 года было широко распространено мнение, что фосфолипиды и мембранные белки были случайным образом распределены в клеточных мембранах, согласно модели жидкой мозаики Сингера -Николсона , опубликованной в 1972 году. [6] [18] Однако в 1970-х годах с использованием биофизических подходов Стиром и Сакманном [19] и Клауснером и Карновским были постулированы мембранные микродомены . [20] Эти микродомены были приписаны физическим свойствам и организации липидных смесей Стиром и Сакманном, а также Израилешвили и др. [21]
В 1974 году влияние температуры на поведение мембран привело к предложению о «кластерах липидов» в мембранах, а к 1975 году данные показали, что эти кластеры могут быть «квазикристаллическими» областями внутри более свободно диспергированной жидкокристаллической липидной молекулы. В 1978 году исследования рентгеновской дифракции привели к дальнейшему развитию идеи «кластера», определив микродомены как «липиды в более упорядоченном состоянии».
Карновский и его коллеги формализовали концепцию липидных доменов в мембранах в 1982 году. Исследования Карновского показали гетерогенность в распаде 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена в течение жизни, что указывало на наличие нескольких фаз в липидной среде мембраны. [6] Один тип микродоменов состоит из холестерина и сфинголипидов . Они образуются из-за сегрегации этих липидов в отдельную фазу, что продемонстрировали Билтонен и Томпсон и их коллеги. [22] Было показано, что эти микродомены («плоты») существуют также в клеточных мембранах. [23] Позднее Кай Саймонс из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Германии и Геррит ван Меер из Утрехтского университета, Нидерланды, снова сосредоточили интерес на этих мембранных микродоменах, обогащенных липидами и холестерином, гликолипидами и сфинголипидами , присутствующими в клеточных мембранах. [24] Впоследствии они назвали эти микродомены липидными «плотами». Первоначальная концепция плотов использовалась в качестве объяснения транспорта холестерина из транс-сети Гольджи в плазматическую мембрану. Идея была более формально разработана в 1997 году Саймонсом и Иконеном. [25]
На симпозиуме Keystone 2006 года по липидным плотам и клеточным функциям липидные плоты были определены как «небольшие (10–200 нм), гетерогенные, высокодинамичные, обогащенные стеролами и сфинголипидами домены, которые разделяют клеточные процессы. Небольшие плоты иногда могут стабилизироваться для формирования более крупных платформ посредством белок-белковых взаимодействий». В последние годы исследования липидных плотов пытались решить многие ключевые вопросы, вызывающие споры в этой области, включая размер и продолжительность жизни рафтов.
Другие вопросы, на которые еще предстоит ответить, включают:
Было предложено два типа липидных рафтов: планарные липидные рафты (также называемые некавеолярными или гликолипидными рафтами) и кавеолы. Плоские рафты определяются как непрерывные с плоскостью плазматической мембраны (не инвагинированные) и по отсутствию отличительных морфологических признаков. Кавеолы , с другой стороны, представляют собой колбообразные инвагинации плазматической мембраны, которые содержат белки кавеолины и являются наиболее легко наблюдаемыми структурами в липидных рафтах. Кавеолины широко экспрессируются в мозге, микрососудах нервной системы, эндотелиальных клетках, астроцитах, олигодендроцитах, шванновских клетках, ганглиях задних корешков и нейронах гиппокампа. Плоские рафты содержат белки флотиллин и обнаруживаются в нейронах, где отсутствуют кавеолы. Оба типа имеют схожий липидный состав (обогащены холестерином и сфинголипидами). Флотиллин и кавеолины могут привлекать сигнальные молекулы в липидные плоты, таким образом играя важную роль в передаче нейротрансмиттерного сигнала. Было высказано предположение, что эти микродомены пространственно организуют сигнальные молекулы для содействия кинетически благоприятным взаимодействиям, которые необходимы для передачи сигнала. Наоборот, эти микродомены могут также разделять сигнальные молекулы, ингибируя взаимодействия и ослабляя сигнальные ответы. [26]
Специфичность и точность передачи сигнала необходимы для того, чтобы клетки эффективно реагировали на изменения в окружающей среде. Это достигается отчасти за счет дифференциальной локализации белков, которые участвуют в сигнальных путях. В плазматической мембране один из подходов компартментализации использует липидные плоты. [27]
Один из разумных способов рассмотрения липидных рафтов заключается в том, что небольшие рафты могут образовывать концентрирующие платформы после активации связывания лиганда для отдельных рецепторов. [28] Исследователи обнаружили, что липидные рафты участвуют во многих процессах передачи сигналов, таких как передача сигналов иммуноглобулина E, передача сигналов рецептора антигена Т-клетки, передача сигналов рецептора антигена В-клетки, передача сигналов рецептора EGF, передача сигналов рецептора инсулина и т. д. Для иллюстрации этих принципов ниже описаны подробные примеры сигнальных путей, в которых участвуют липидные рафты.
Эпидермальный фактор роста (EGF) связывается с рецептором EGF , также известным как HER-1 или ErbB1, для инициирования трансмембранной сигнализации. Липидные плоты, как предполагается, играют двойную роль в этом процессе. Некоторые аспекты липидных плотов ингибируют функцию рецептора EGF:
В то же время липидные рафты, по-видимому, необходимы для трансмембранной сигнализации или усиливают ее:
Сигнализация иммуноглобулина E (IgE) является первым убедительно продемонстрированным сигнальным процессом, в котором участвуют липидные рафты. [40] [41] [42] Доказательства этого факта включают снижение растворимости рецепторов Fc-эпсилон (FcεR) в Triton X-100 от устойчивого состояния до состояния сшивания, [40] образование участков, достаточно больших для визуализации с помощью флуоресцентной микроскопии из ганглиозидов и белков, закрепленных на GPI, [43] [44] прекращение сигнализации IgE путем истощения поверхностного холестерина с помощью метил-β-циклодекстрина [45] и т. д.
Этот сигнальный путь можно описать следующим образом: IgE сначала связывается с рецепторами Fc-эпсилон (FcεR), находящимися в плазматической мембране тучных клеток и базофилов через свой сегмент Fc. FcεR представляет собой тетрамер, состоящий из одной α, одной β и двух γ цепей. [42] Он является мономерным и связывает одну молекулу IgE. Цепь α связывает IgE, а три другие цепи содержат мотивы активации иммунных рецепторов на основе тирозина (ITAM). Затем олигомерные антигены связываются с IgE, связанным с рецептором, для перекрестного связывания двух или более из этих рецепторов. Это перекрестное связывание затем привлекает дважды ацилированную нерецепторную Src-подобную тирозинкиназу Lyn для фосфорилирования ITAM. После этого тирозинкиназы семейства Syk связывают эти остатки фосфотирозина ITAM, чтобы инициировать каскад сигнализации. [40] [41] Syk может, в свою очередь, активировать другие белки, такие как LAT. Благодаря сшиванию LAT может привлекать другие белки в плот и дополнительно усиливать сигнал. [46]
Рецептор антигена Т-клетки (TCR) — это молекула, обнаруженная на поверхности Т-лимфоцитов (Т-клеток). Он состоит из αβ-гетеродимеров, комплекса CD3 (γδε) и ξ-гомодимера. Субъединицы α- и β- содержат внеклеточные сайты связывания для пептидов, которые представлены белками главного комплекса гистосовместимости ( MHC ) класса I и класса II на поверхности антигенпрезентирующих клеток (APC). Субъединицы CD3 и ξ- содержат цитоплазматические мотивы ITAM. Во время процесса сигнализации связывание MHC с TCR объединяет два или более рецепторов. Это перекрестное связывание, аналогичное сигнализации IgE, затем рекрутирует дважды ацилированные нерецепторные Src-подобные тирозинкиназы для фосфорилирования остатков тирозина ITAM. Помимо рекрутирования Lyn, сигнализация TCR также рекрутирует Fyn. [27] [47]
После этой процедуры ZAP-70 (который также отличается от сигнализации IgE) связывается с фосфорилированными ITAM, что приводит к его собственной активации и активации LAT. Активация LAT является источником усиления сигнала. Другое различие между сигнализацией IgE и рецептора антигена Т-клеток заключается в том, что активация Lck TCR может привести к более серьезной кластеризации рафта [48] [49] , а значит, и к большему усилению сигнала. Один из возможных механизмов подавления этой сигнализации включает связывание цитозольной киназы Csk с белком CBP, ассоциированным с рафтом. Затем Csk может подавлять киназы семейства Src посредством фосфорилирования. [50]
Рецептор антигена В-клеток (BCR) представляет собой комплекс между молекулой связанного с мембраной Ig (mIg) и гетеродимером Igα-Igβ, связанным дисульфидной связью, состоящим из двух полипептидов. [51] Igα и Igβ содержат аминокислотный мотив, называемый ITAM, последовательность которого имеет вид D/ExxYxxL/Ix7YxxL/I.
Процесс сигнализации рецептора антигена В-клетки похож на сигнализацию иммуноглобулина E и сигнализацию рецептора антигена Т-клетки. Обычно считается, что помимо BCR, липидные рафты играют важную роль во многих событиях на поверхности клетки, вовлеченных в активацию В-клеток. Их функции включают сигнализацию BCR, модуляцию этой сигнализации корецепторами, сигнализацию CD40, эндоцитоз антигена, связанного с BCR, и его маршрутизацию в поздние эндосомы для облегчения загрузки пептидов, полученных из антигена, на молекулы MHC класса II, маршрутизацию этих комплексов пептид/MHC-II на поверхность клетки и их участие в презентации антигена Т-клеткам. [51]
Вирусы, как облигатные внутриклеточные паразиты, должны включать специфическое взаимодействие вируса и клеточного рецептора, экспрессируемого на плазматической мембране, чтобы проникнуть в клетки. Накопленные доказательства подтверждают, что вирусы проникают в клетки посредством проникновения через специфические мембранные микродомены, включая липидные рафты.
Наиболее изученными моделями проникновения безоболочечных вирусов, связанных с липидными плотами, являются вирус обезьян 40 (SV40, Papovaviridae) и эховирус типа 1 (EV1, Picornaviridae). [52] [53]
SV40 использует два разных рецептора для связывания с поверхностью клетки: ганглиозид GM1, расположенный в липидных плотах, и молекулу главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I. [52] [53] Связывание SV40 с молекулами MHC класса I запускает кластеризацию и перераспределение рецепторов. SV40 может привлекать больше кавеол из цитоплазмы или даже новые кавеолы, образованные в месте проникновения. [53] Каскад сигнальных событий, вызванных вирусом, запускаемых присоединением, приводит к эндоцитозу, опосредованному кавеолами, примерно через 20 минут. [53] В некоторых типах клеток вирус может проникать в кавеосомы непосредственно из липидных плотов в непокрытых везикулах. [53] [54]
EV1 использует α2β1-интегрин в качестве клеточного рецептора. [52] Множественные гетеродимеры интегрина могут связываться с соседними участками вирусного капсида. [53] Подобно SV40, присоединение и связывание с клетками запускает кластеризацию и перемещение молекул интегрина из липидных рафтов в кавеолоподобные структуры. [53] Истощение холестерина в липидных рафтах подавляет инфекцию EV1. [52]
Существуют также вирусы, которые используют эндоцитоз, не опосредованный кавеолярным плотом, например, Echovirus 11 (EV11, пикорнавирус). Однако подробные механизмы все еще нуждаются в дальнейшей характеристике. [53]
Вирусы гриппа связываются с клеточным рецептором сиаловой кислотой, которая соединяется с гликоконъюгатом на поверхности клетки, чтобы инициировать эндоцитоз. После транспортировки в поздние эндосомы, зависящие от низкого pH конформационные изменения HA вызывают слияние, и вирусные рибонуклеопротеиновые комплексы (RNP) высвобождаются протонным притоком вирусных ионного канала M2-белков, который требует связывания с холестерином. Вирус леса Семлики (SFV) и вирус Синдбис (SIN) требуют холестерина и сфинголипидов в целевых мембранных липидных плотах для слияния мембраны, опосредованного гликопротеином оболочки, и входа. [55] Человеческий Т-лимфотропный вирус типа I (HTLV-1) проникает в клетки через переносчик глюкозы 1 (GLUT-1). Вирус Эбола и вирус Марбург используют фолатный рецептор-α (FRα), который является GPI-заякоренным белком, в качестве клеточного рецептора. Вирус гепатита B распознает человеческий рецептор комплемента типа 2 (CR2, или известный как CD21). Человеческий герпесвирус 6 (HHV-6) связывается с человеческим CD46 на поверхности клетки-хозяина. Все эти вирусные рецепторы расположены в липидных плотах или будут перемещены в липидные плоты после заражения.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), как вирус животных, передающийся половым путем, должен сначала проникнуть через барьер эпителиальных клеток, которые не экспрессируют рецепторы CD4 и хемокинов, чтобы установить продуктивную инфекцию. Альтернативным рецептором для гликопротеина оболочки ВИЧ-1 на эпителиальных клетках является гликосфинголипид галактозил-церамид (GalCer), который обогащается на липидном плоту. [56] [57]
Было показано, что вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, проникает посредством эндоцитоза с использованием липидных рафтов. [58] Вариант омикрон преимущественно проникает посредством эндоцитоза, предположительно через липидные рафты. [59] Гидроксихлорохин блокирует проникновение SARS-CoV-2, блокируя связь ACE2 с энодоцитарными липидами. [60]
Одна из основных причин разногласий по поводу липидных рафтов возникла из-за проблем изучения липидных рафтов в живых клетках, которые не находятся в термодинамическом равновесии. [26] Липидные рафты представляют собой небольшие микродомены размером от 10 до 200 нм. [6] Из-за того, что их размер ниже классического дифракционного предела светового микроскопа, липидные рафты оказалось трудно визуализировать напрямую. В настоящее время изучаются синтетические мембраны; однако существует множество недостатков в использовании этих мембран. Во-первых, синтетические мембраны имеют более низкую концентрацию белков по сравнению с биомембранами. Кроме того, сложно моделировать мембранно-цитоскелетные взаимодействия, которые присутствуют в биомембранах. Другие подводные камни включают отсутствие естественной асимметрии и невозможность изучения мембран в неравновесных условиях. [6] [61] Несмотря на это, флуоресцентная микроскопия широко используется в этой области. Например, широко используются флуорофоры, конъюгированные с субъединицей B холерного токсина, которая связывается с составляющим плот ганглиозидом GM1. Также используются липофильные мембранные красители, которые либо распределяются между плотами и основной мембраной, либо изменяют свои флуоресцентные свойства в ответ на фазу мембраны. Лаурдан является одним из основных примеров такого красителя. Рафты также могут быть помечены генетической экспрессией флуоресцентных белков слияния, таких как Lck-GFP.
Манипуляция холестерином является одним из наиболее широко используемых методов изучения липидных рафтов. Секвестрация (с использованием филипина, нистатина или амфотерицина), истощение и удаление (с использованием метил-B-циклодекстрина) и ингибирование синтеза холестерина (с использованием ингибиторов HMG-CoA-редуктазы) являются способами манипуляции холестерином в исследованиях липидных рафтов. Эти исследования позволяют наблюдать эффекты на нейротрансмиттерную сигнализацию при снижении уровня холестерина. [26]
Шарма и коллеги использовали комбинацию изображений высокого разрешения и математического моделирования, чтобы представить, что белки рафта организованы в нанокластеры высокой плотности с радиусами в диапазоне более 5–20 нм. Используя измерения переноса энергии флуоресцентного резонанса между теми же зондами (гомо-FRET или анизотропия флуоресценции), Шарма и коллеги сообщили, что фракция (20–40%) белков с GPI-якорем организована в кластеры высокой плотности радиусом 4–5 нм, каждый из которых состоит из нескольких молекул и различных белков с GPI-якорем. [62] Для борьбы с проблемами малого размера и динамической природы становится все более популярным отслеживание отдельных частиц и молекул с использованием охлаждаемых чувствительных ПЗС-камер и микроскопии полного внутреннего отражения (TIRF). Это позволяет извлекать информацию о диффузии частиц в мембране, а также выявлять загоны, барьеры и места ограничения мембраны. [63]
Также используются и другие оптические методы: флуоресцентная корреляционная и кросс-корреляционная спектроскопия (FCS/FCCS) может использоваться для получения информации о подвижности флуорофоров в мембране, флуоресцентный резонансный перенос энергии (FRET) может определять, когда флуорофоры находятся в непосредственной близости, а методы оптического пинцета могут предоставить информацию о вязкости мембраны. [26]
Для обнаружения топологических и механических свойств синтетических липидов [64] или нативных клеточных мембран [65], выделенных путем отделения клеток, можно использовать не только оптические методы, но и методы сканирующего зондирования, такие как атомно-силовая микроскопия (АСМ) или сканирующая ионно-проводящая микроскопия (СИМП) .
Также используются двойная поляризационная интерферометрия , ядерный магнитный резонанс (ЯМР), хотя флуоресцентная микроскопия остается доминирующей техникой. В будущем есть надежда, что микроскопия сверхвысокого разрешения, такая как Stimulated Emission Depletion (STED) [66] или различные формы микроскопии структурированного освещения смогут преодолеть проблемы, налагаемые дифракционным пределом.
Другие методы, используемые при анализе липидных рафтов, включают ИФА, вестерн-блоттинг и FACS. [67] [68] [1]
Роль рафтов в клеточной сигнализации, транспорте и структуре еще предстоит определить, несмотря на множество экспериментов с использованием различных методов, и само их существование является спорным, несмотря на все вышесказанное. [69]
Аргументы против существования липидных рафтов включают следующее:
Первое опровержение этого утверждения предполагает, что фаза Lo рафтов упакована более плотно из-за межмолекулярной водородной связи , проявляющейся между сфинголипидами и холестерином, которая не наблюдается в других местах. [70]
Второй аргумент ставит под сомнение эффективность экспериментального дизайна при разрушении липидных рафтов. Пайк и Миллер обсуждают потенциальные подводные камни использования истощения холестерина для определения функции липидных рафтов. [71] Они отметили, что большинство исследователей использовали острые методы истощения холестерина, которые разрушают рафты, но также разрушают другой липид, известный как PI(4,5)P2 . PI(4,5)P2 играет большую роль в регуляции цитоскелета клетки , [72] и разрушение PI(4,5)P2 вызывает многие из тех же результатов, что и этот тип истощения холестерина, включая латеральную диффузию белков в мембране. [73] Поскольку методы разрушают как рафты, так и PI(4,5)P2 , Квик и др. пришли к выводу, что потеря определенной клеточной функции после истощения холестерина не обязательно может быть приписана исключительно разрушению липидных рафтов, поскольку могут быть затронуты и другие процессы, независимые от рафтов. Наконец, хотя считается, что липидные плоты каким-то образом связаны с белками, Эдидин утверждает, что белки притягивают липиды в плоту посредством взаимодействия белков с ацильными цепями липидов, а не наоборот. [74]
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )