Парацитофагия (от древнегреческого para «поблизости», kytos «клетка» и фагия «поедание») — это клеточный процесс, при котором клетка поглощает выступ, отходящий от соседней клетки. Этот выступ может содержать материал, который активно переносится между клетками. Процесс парацитофагии [1] был впервые описан как решающий этап межклеточного распространения внутриклеточного бактериального патогена Listeria monocytogenes , а также часто наблюдается у Shigella flexneri . Парацитофагия позволяет этим внутриклеточным патогенам распространяться непосредственно от клетки к клетке, избегая таким образом иммунного обнаружения и разрушения. Исследования этого процесса внесли значительный вклад в наше понимание роли актинового цитоскелета в эукариотических клетках.
Актин — один из основных белков цитоскелета эукариотических клеток. Полимеризация актиновых нитей ответственна за образование ложноножек , филоподий и ламеллиподий во время клеточной подвижности . Клетки активно строят актиновые микрофиламенты, которые толкают клеточную мембрану в направлении движения. [2]
Факторы нуклеации являются усилителями полимеризации актина и способствуют образованию тримерного ядра полимеризации. Это структура, необходимая для стабильного и эффективного инициирования процесса полимеризации актиновых нитей. Факторы нуклеации, такие как WASP (белок синдрома Вискотта-Олдрича), помогают сформировать комплекс нуклеации Arp2/3 из семи белков , который напоминает два мономера актина и, следовательно, обеспечивает более легкое образование ядра полимеризации. Arp2/3 способен закрывать задний («минусовый») конец актиновой нити, обеспечивая более быструю полимеризацию на «плюсовом» конце. Он также может связываться с боковой стороной существующих нитей, способствуя ветвлению нитей. [3]
Некоторые внутриклеточные патогены, такие как виды бактерий Listeria monocytogenes и Shigella flexneri, могут манипулировать полимеризацией актина клетки-хозяина, перемещаясь через цитозоль и распространяясь на соседние клетки (см. Ниже). Исследования этих бактерий, особенно белка, индуцирующего сборку актина Listeria (ActA), привели к дальнейшему пониманию действия WASP. ActA — это фактор, способствующий нуклеации, имитирующий WASP. Он экспрессируется поляризованно к заднему концу бактерии, что обеспечивает Arp2/3-опосредованную нуклеацию актина. Это толкает бактерию вперед, оставляя за собой «хвост кометы» из актина. В случае шигелл , которые также передвигаются с помощью хвоста актиновой кометы, бактериальный фактор рекрутирует WASP клетки-хозяина, чтобы способствовать нуклеации актина. [2] [3]
Клетки могут обмениваться материалом посредством различных механизмов, например, путем секреции белков , высвобождения внеклеточных везикул , таких как экзосомы или микровезикулы , или более непосредственного поглощения частей соседних клеток. В одном примере было показано , что филоподии -подобные выступы или туннелирующие нанотрубки, направленные к соседним клеткам в культуре клеток PC12 крысы, облегчают транспорт органелл посредством временного слияния мембран. [4] В другом примере, во время возвращения костного мозга клетки окружающей кости поглощают части кроветворных клеток костного мозга. Эти остеобласты вступают в контакт с гемопоэтическими стволовыми клетками-предшественниками через мембранные нанотрубки, и части донорских клеток со временем передаются в различные эндоцитарные компартменты остеобластов-мишеней. [5]
Особый процесс, известный как трогоцитоз , обмен липидными плотами или участками мембран между иммунными клетками, может облегчить реакцию на чужеродные стимулы. [6] Более того, было показано, что экзосомы доставляют не только антигены для перекрестной презентации , [7] , но также MHCII и костимулирующие молекулы для активации Т-лимфоцитов. [8] В неиммунных клетках было продемонстрировано, что митохондрии могут обмениваться между клетками для спасения метаболически нежизнеспособных клеток, лишенных митохондрий. [9] Перенос митохондрий также наблюдался в раковых клетках. [10]
Аргосомы происходят из базолатеральных эпителиальных мембран и обеспечивают связь между соседними клетками. Впервые они были описаны у Drosophila melanogaster , где действуют как средство распространения молекул через эпителий имагинальных дисков. [11] Меланосомы также передаются филоподиями от меланоцитов к кератиноцитам. Этот перенос включает классический путь формирования филоподий с Cdc42 и WASP в качестве ключевых факторов. [12]
Аргосомы, меланосомы и другие примеры эпителиального переноса сравнивали с процессом парацитофагии, все из которых можно рассматривать как особые случаи межклеточного переноса материала между эпителиальными клетками. [4]
Двумя основными примерами парацитофагии являются способы межклеточной передачи Listeria monocytogenes и Shigella flexneri . В случае Listeria процесс впервые был подробно описан с помощью электронной микроскопии [13] и видеомикроскопии. [1] Ниже приводится описание процесса межклеточной передачи Listeria monocytogenes , в первую очередь основанное на Robbins et al . (1999): [1]
В уже инфицированной «донорской» клетке бактерия Listeria экспрессирует ActA , что приводит к образованию хвоста актиновой кометы и перемещению бактерии по цитоплазме . Когда бактерия сталкивается с мембраной донорской клетки , она либо рикошетит от нее, либо прилипает к ней и начинает выталкиваться наружу, растягивая мембрану и образуя выступ размером 3–18 мкм. Считается, что тесное взаимодействие между бактерией и мембраной клетки-хозяина зависит от Эзрина , члена семейства мембраносвязанных белков ERM . Эзрин прикрепляет актиновую бактерию к плазматической мембране путем сшивания хвоста актиновой кометы с мембраной и поддерживает это взаимодействие на протяжении всего процесса выпячивания. [14]
Поскольку нормальным местом инфекции является столбчатый эпителий кишечника , клетки упакованы близко друг к другу, и клеточный выступ одной клетки легко проникает в соседнюю «мишень», не разрывая мембрану клетки-мишени или мембрану донорского выступа. В этот момент бактерия на кончике выступа начнет совершать «прерывистые движения», вызванные продолжающейся полимеризацией актина в ее задней части. Через 7–15 минут мембрана донорской клетки отщипывается, и прерывистое движение прекращается на 15–25 минут из-за истощения АТФ. Впоследствии мембрана-мишень отщипывается (это занимает 30–150 секунд), и внутри цитоплазмы клетки-мишени формируется вторичная вакуоль , содержащая бактерию.
В течение 5 минут клетка-мишень инфицируется, когда вторичная вакуоль начинает подкисляться, а внутренняя мембрана (полученная из донорской клетки) разрушается под действием бактериальных фосфолипаз (PI-PLC и PC-PLC). Вскоре после этого внешняя мембрана разрушается в результате действия бактериального белка листериолизина О [15], который прокалывает вакуолярную мембрану. Облако остаточного актина, полученного из донорских клеток, сохраняется вокруг бактерии до 30 минут. Бактериальная металлопротеаза Mpl расщепляет ActA в зависимости от pH, пока бактерия все еще находится внутри подкисленной вторичной вакуоли, но новая транскрипция ActA не требуется, поскольку ранее существовавшая мРНК ActA может быть использована для трансляции нового белка ActA. Бактерия восстанавливает подвижность и инфекция продолжается.
Наиболее тяжелые симптомы листериоза возникают в результате поражения центральной нервной системы (ЦНС). Эти тяжелые и часто смертельные симптомы включают менингит , ромбэнцефалит и энцефалит . Эти формы заболеваний являются прямым результатом механизмов патогенности листерий на клеточном уровне. [16] Листериозная инфекция, поражающая ЦНС, может происходить тремя известными путями: через кровь, посредством внутриклеточной доставки или через нейрональное внутриклеточное распространение. Распространение парацитофагов от клетки к клетке обеспечивает Listeria доступ к ЦНС посредством двух последних механизмов. [17]
В периферических тканях листерии могут проникать в клетки, такие как моноциты и дендритные клетки , из инфицированных эндотелиальных клеток посредством парацитофагического способа инвазии. Используя эти фагоцитирующие клетки в качестве векторов, листерии путешествуют по нервам и достигают тканей, обычно недоступных для других бактериальных патогенов. Подобно механизму, наблюдаемому при ВИЧ , инфицированные лейкоциты в крови преодолевают гематоэнцефалический барьер и транспортируют листерий в ЦНС. Попадая в ЦНС, распространение от клетки к клетке вызывает сопутствующее повреждение, приводящее к мозговому энцефалиту и бактериальному менингиту. Листерия использует фагоцитирующие лейкоциты в качестве « троянского коня » [18] для получения доступа к более широкому спектру клеток-мишеней.
В одном исследовании у мышей, которым вводили гентамицин через инфузионный насос, во время заражения Listeria наблюдалось поражение ЦНС и головного мозга , что указывает на то, что популяция бактерий, ответственных за тяжелый патогенез, находилась внутри клеток и была защищена от циркулирующего антибиотика . [19] [20] Макрофаги, инфицированные Listeria, легче передают инфекцию нейронам посредством парацитофагии, чем посредством внеклеточной инвазии свободных бактерий. [21] Механизм, который специфически нацеливает эти инфицированные клетки на ЦНС, в настоящее время неизвестен. Эта функция «троянского коня» также наблюдается и считается важной на ранних стадиях инфекции, когда инфекция кишечника в лимфатические узлы опосредована инфицированными дендритными клетками. [22]
Второй механизм достижения ткани головного мозга достигается за счет внутриаксонального транспорта. По этому механизму листерия попадает по нервам в мозг, что приводит к энцефалиту или поперечному миелиту. [23] У крыс дорсальные корешковые ганглии могут быть инфицированы непосредственно Listeria , и бактерии могут перемещаться как в ретроградном, так и в антероградном направлении через нервные клетки. [24] Конкретные механизмы, участвующие в заболеваниях головного мозга, еще не известны, но считается, что парацитофагия играет определенную роль. Не было доказано, что бактерии эффективно заражают нейрональные клетки непосредственно, и считается, что для этого способа распространения необходима ранее описанная передача макрофагов. [21] [25]
Процесс парацитофагии считается отличным от подобных, но несвязанных процессов, таких как фагоцитоз и трогоцитоз . Некоторые связанные концепции включают в себя: