аппарат Гольджи

Клеточная органелла, упаковывающая белки для экспорта

Схема одиночной «стопки» Гольджи

Аппарат Гольджи ( / ˈ ɡ ɒ l dʒ i / ), также известный как комплекс Гольджи , тельце Гольджи или просто Гольджи , является органеллой, обнаруженной в большинстве эукариотических клеток . ^[1] Часть эндомембранной системы в цитоплазме , он упаковывает белки в мембраносвязанные везикулы внутри клетки перед тем, как везикулы отправляются к месту назначения. Он находится на пересечении секреторного, лизосомального и эндоцитарного путей. Он имеет особое значение в обработке белков для секреции , содержа набор ферментов гликозилирования , которые присоединяют различные мономеры сахара к белкам по мере того, как белки перемещаются через аппарат.

Аппарат Гольджи был идентифицирован в 1898 году итальянским биологом и патологом Камилло Гольджи . ^[2] Позднее, в 1910-х годах, органелла была названа в его честь. ^[2]

Открытие

Из-за своего большого размера и отличительной структуры аппарат Гольджи был одним из первых органелл, которые были обнаружены и подробно изучены. Он был открыт в 1898 году итальянским врачом Камилло Гольджи во время исследования нервной системы . ^{[3] [2]} Впервые увидев его под своим микроскопом , он назвал эту структуру apparato reticolare interno («внутренний ретикулярный аппарат»). Некоторые поначалу сомневались в открытии, утверждая, что внешний вид структуры был всего лишь оптической иллюзией, созданной техникой наблюдения Гольджи. С развитием современных микроскопов в двадцатом веке открытие было подтверждено. ^[4] Ранние упоминания аппарата Гольджи ссылались на него под разными названиями, включая аппарат Гольджи–Хольмгрена, протоки Гольджи–Хольмгрена и аппарат Гольджи–Копша. ^[2] Термин «аппарат Гольджи» был использован в 1910 году и впервые появился в научной литературе в 1913 году, тогда как «комплекс Гольджи» был введен в 1956 году. ^[2]

Субклеточная локализация

Субклеточная локализация аппарата Гольджи различается у эукариот. У млекопитающих один аппарат Гольджи обычно расположен около ядра клетки, близко к центросоме. Трубчатые связи отвечают за связывание стопок вместе. Локализация и трубчатые связи аппарата Гольджи зависят от микротрубочек . В экспериментах видно, что по мере деполимеризации микротрубочек аппараты Гольджи теряют взаимные связи и становятся отдельными стопками по всей цитоплазме. ^[5] У дрожжей несколько аппаратов Гольджи разбросаны по всей цитоплазме (как это наблюдается у Saccharomyces cerevisiae ). У растений стопки Гольджи не сосредоточены в центросомной области и не образуют лент Гольджи. ^[6] Организация растительного Гольджи зависит от актиновых кабелей, а не от микротрубочек. ^[6] Общей чертой среди Гольджи является то, что они примыкают к участкам выхода эндоплазматического ретикулума (ЭР). ^[7]

Структура

3D-рендеринг аппарата Гольджи

У большинства эукариот аппарат Гольджи состоит из ряда отсеков и представляет собой набор слитых, уплощенных мембранных дисков, известных как цистерны (единственное число: цистерна , также называемая «диктиосомы»), происходящих из везикулярных кластеров, которые отпочковываются от эндоплазматического ретикулума (ЭР). Клетка млекопитающих обычно содержит от 40 до 100 стопок цистерн. ^[8] Обычно в стопке присутствует от четырех до восьми цистерн; однако у некоторых простейших наблюдалось до шестидесяти цистерн. ^[4] Эта коллекция цистерн разбита на цис- , медиальные и транс- отсекторы, составляющие две основные сети: цис-сеть Гольджи (CGN) и транс-сеть Гольджи (TGN). CGN является первой цистернальной структурой, а TGN является конечной, из которой белки упаковываются в пузырьки, предназначенные для лизосом , секреторных пузырьков или поверхности клетки. TGN обычно располагается рядом со стопкой, но также может быть отделена от нее. TGN может действовать как ранняя эндосома в дрожжах и растениях. ^{[6] [9]}

Существуют структурные и организационные различия в аппарате Гольджи среди эукариот. У некоторых дрожжей не наблюдается укладка Гольджи. У Pichia pastoris есть укладка Гольджи, а у Saccharomyces cerevisiae нет. ^[6] У растений отдельные стопки аппарата Гольджи, по-видимому, работают независимо. ^[6]

Аппарат Гольджи, как правило, крупнее и многочисленнее в клетках, которые синтезируют и секретируют большие количества веществ; например, секретирующие антитела плазменные В-клетки иммунной системы имеют выраженные комплексы Гольджи.

У всех эукариот каждая цистернальная стопка имеет цис- входную грань и транс- выходную грань. Эти грани характеризуются уникальной морфологией и биохимией . ^[10] Внутри отдельных стопок находятся наборы ферментов, ответственных за селективную модификацию белкового груза. Эти модификации влияют на судьбу белка. Компартментализация аппарата Гольджи выгодна для разделения ферментов, тем самым поддерживая последовательные и селективные этапы обработки: ферменты, катализирующие ранние модификации, собираются в цистернах цис- лица, а ферменты, катализирующие более поздние модификации, находятся в транс- лицевых цистернах стопок Гольджи. ^{[5] [10]}

Функция

Аппарат Гольджи (лососево-розовый) в контексте секреторного пути

Аппарат Гольджи является основным пунктом сбора и отправки белковых продуктов, полученных из эндоплазматического ретикулума. Белки, синтезированные в ЭР, упаковываются в пузырьки, которые затем сливаются с аппаратом Гольджи. Эти грузосодержащие белки модифицируются и направляются на секрецию посредством экзоцитоза или для использования в клетке. В этом отношении Гольджи можно сравнить с почтовым отделением: он упаковывает и маркирует предметы, которые затем отправляет в разные части клетки или во внеклеточное пространство . Аппарат Гольджи также участвует в транспорте липидов и образовании лизосом. ^[11]

Структура и функция аппарата Гольджи тесно связаны. Отдельные стопки имеют различные наборы ферментов, что позволяет осуществлять прогрессивную обработку грузовых белков по мере их перемещения из цистерн в транс-поверхность Гольджи. ^{[5] [10]} Ферментативные реакции внутри стопок Гольджи происходят исключительно вблизи его мембранных поверхностей, где закреплены ферменты. Эта особенность контрастирует с ЭР, в просвете которого находятся растворимые белки и ферменты . Большая часть ферментативной обработки представляет собой посттрансляционную модификацию белков. Например, фосфорилирование олигосахаридов на лизосомальных белках происходит в раннем CGN. ^[5] Цис- цистерны связаны с удалением остатков маннозы . ^{[5] [10]} Удаление остатков маннозы и добавление N-ацетилглюкозамина происходит в медиальных цистернах. ^[5] Добавление галактозы и сиаловой кислоты происходит в транс -цистернах. ^[5] Сульфатирование тирозинов и углеводов происходит в TGN. ^[5] Другие общие посттрансляционные модификации белков включают добавление углеводов ( гликозилирование ) ^[12] и фосфатов ( фосфорилирование ). Модификации белков могут образовывать сигнальную последовательность , которая определяет конечное место назначения белка. Например, аппарат Гольджи добавляет метку маннозо-6-фосфата к белкам, предназначенным для лизосом. Другая важная функция аппарата Гольджи заключается в образовании протеогликанов . Ферменты в аппарате Гольджи присоединяют белки к гликозаминогликанам , таким образом создавая протеогликаны. ^[13] Гликозаминогликаны представляют собой длинные неразветвленные молекулы полисахаридов , присутствующие во внеклеточном матриксе животных.

Везикулярный транспорт

Схема секреторного процесса от эндоплазматического ретикулума (оранжевый) до аппарата Гольджи (пурпурный). 1. Ядерная мембрана ; 2. Ядерная пора ; 3. Шероховатый эндоплазматический ретикулум (ШЭР); 4. Гладкий эндоплазматический ретикулум (ГЭР); 5. Рибосома, прикрепленная к ШЭР; 6. Макромолекулы ; 7. Транспортные пузырьки; 8. Аппарат Гольджи; 9. Цис -поверхность аппарата Гольджи; 10. Транс- поверхность аппарата Гольджи; 11. Цистерны аппарата Гольджи.

Везикулы, которые покидают шероховатый эндоплазматический ретикулум , транспортируются к цис- грани аппарата Гольджи, где они сливаются с мембраной Гольджи и выливают свое содержимое в просвет . Попав в просвет, молекулы модифицируются, а затем сортируются для транспортировки к следующим пунктам назначения.

Те белки, которые предназначены для областей клетки, отличных от эндоплазматического ретикулума или аппарата Гольджи, перемещаются через цистерны Гольджи к транс -поверхности, в сложную сеть мембран и связанных с ними везикул, известную как транс-сеть Гольджи (TGN). Эта область Гольджи является точкой, в которой белки сортируются и отправляются к своим предполагаемым местам назначения путем их размещения в одном из по крайней мере трех различных типов везикул, в зависимости от сигнальной последовательности, которую они несут.

Современные модели везикулярного транспорта и трафика

Модель 1: Антероградный везикулярный транспорт между стабильными компартментами

• В этой модели аппарат Гольджи рассматривается как набор стабильных отсеков, которые работают вместе. Каждый отсек имеет уникальный набор ферментов, которые работают над модификацией белкового груза. Белки доставляются из ЭР на цис- грань с помощью везикул, покрытых COPII . Затем груз продвигается к транс- грани в везикулах, покрытых COPI . Эта модель предполагает, что везикулы COPI движутся в двух направлениях: антероградные везикулы переносят секреторные белки , в то время как ретроградные везикулы перерабатывают специфические для Гольджи транспортные белки. ^[14]
  • Сильные стороны: Модель объясняет наблюдения за отсеками, поляризованным распределением ферментов и волнами движущихся везикул. Она также пытается объяснить, как Гольджи-специфичные ферменты перерабатываются. ^[14]
  • Слабые стороны: Поскольку количество везикул COPI сильно различается среди типов клеток, эта модель не может легко объяснить высокую активность трафика в аппарате Гольджи как для малых, так и для больших грузов. Кроме того, нет убедительных доказательств того, что везикулы COPI движутся как в антероградном, так и в ретроградном направлении. ^[14]
• Эта модель была широко принята с начала 1980-х до конца 1990-х годов. ^[14]

Модель 2: Цистернальное прогрессирование/созревание

• В этой модели слияние везикул COPII из ER начинает формирование первой цис -цистерны стопки Гольджи, которая позже прогрессирует, чтобы стать зрелыми цистернами TGN. После созревания цистерны TGN растворяются, чтобы стать секреторными везикулами. Пока происходит это прогрессирование, везикулы COPI непрерывно рециркулируют специфические для Гольджи белки, доставляя их из старых цистерн в молодые. Различные схемы рециркуляции могут объяснять различную биохимию во всей стопке Гольджи. Таким образом, отсеки внутри Гольджи рассматриваются как дискретные кинетические стадии созревающего аппарата Гольджи. ^[14]
  • Сильные стороны: Модель учитывает существование отсеков аппарата Гольджи, а также различную биохимию внутри цистерн, транспорт крупных белков, временное образование и распад цистерн и ретроградную подвижность собственных белков аппарата Гольджи, и она может объяснить изменчивость, наблюдаемую в структурах аппарата Гольджи. ^[14]
  • Слабые стороны: Эта модель не может легко объяснить наблюдение слитых сетей Гольджи, трубчатых связей между цистернами и различной кинетики выхода секреторного груза. ^[14]

Модель 3: Цистернальная прогрессия/созревание с гетеротипическим канальцевым транспортом

• Эта модель является расширением модели прогрессирования/созревания цистерн. Она включает существование трубчатых соединений между цистернами, которые формируют ленту Гольджи, в которой цистерны в стопке связаны. Эта модель постулирует, что трубочки важны для двунаправленного движения в системе ER-Golgi: они обеспечивают быстрый антероградный трафик небольших грузов и/или ретроградный трафик собственных белков Гольджи. ^{[14] [15]}
  • Сильные стороны: Эта модель охватывает сильные стороны модели цистернальной прогрессии/созревания, которая также объясняет быструю транспортировку грузов и то, как собственные белки Гольджи могут рециркулировать независимо от везикул COPI. ^[14]
  • Слабые стороны: Эта модель не может объяснить кинетику транспорта большого количества белковых грузов, таких как коллаген . Кроме того, трубчатые соединения не распространены в растительных клетках. Роль, которую играют эти соединения, можно отнести к клеточно-специфической специализации, а не к универсальной черте. Если мембраны непрерывны, это предполагает существование механизмов, которые сохраняют уникальные биохимические градиенты, наблюдаемые во всем аппарате Гольджи. ^[14]

Модель 4: Быстрое разделение в смешанном аппарате Гольджи

• Эта модель быстрого разделения является наиболее радикальным изменением традиционной точки зрения на везикулярный транспорт. Сторонники этой модели выдвигают гипотезу, что Гольджи работает как единое целое, содержащее домены, которые функционируют отдельно при обработке и экспорте белкового груза. Груз из ЭР перемещается между этими двумя доменами и случайным образом выходит с любого уровня Гольджи в свое конечное местоположение. Эта модель подтверждается наблюдением, что груз выходит из Гольджи по схеме, наилучшим образом описываемой экспоненциальной кинетикой. Существование доменов подтверждается данными флуоресцентной микроскопии. ^[14]
  • Сильные стороны: Примечательно, что эта модель объясняет экспоненциальную кинетику выхода груза как крупных, так и мелких белков, тогда как другие модели не могут этого сделать. ^[14]
  • Слабые стороны: Эта модель не может объяснить кинетику транспорта больших белковых грузов, таких как коллаген. Эта модель не может объяснить наблюдение за дискретными отсеками и поляризованной биохимией цистерн Гольджи. Она также не объясняет образование и распад сети Гольджи, а также роль везикул COPI. ^[14]

Модель 5: Стабильные компартменты как предшественники цистернальной модели

• Это самая последняя модель. В этой модели аппарат Гольджи рассматривается как набор стабильных отсеков, определяемых Rab (G-белок) ГТФазами . ^[14]
  • Сильные стороны: Эта модель согласуется с многочисленными наблюдениями и охватывает некоторые сильные стороны модели цистернальной прогрессии/созревания. Кроме того, то, что известно о ролях Rab GTPase в эндосомах млекопитающих, может помочь предсказать предполагаемые роли в аппарате Гольджи. Эта модель уникальна тем, что она может объяснить наблюдение за промежуточными транспортными звеньями «мегавезикул». ^[14]
  • Слабые стороны: Эта модель не объясняет морфологические вариации в аппарате Гольджи и не определяет роль везикул COPI. Эта модель плохо применима к растениям, водорослям и грибам, в которых наблюдаются отдельные стопки Гольджи (передача доменов между стопками маловероятна). Кроме того, не установлено, что мегавезикулы являются внутри-Гольджи-транспортерами. ^[14]

Хотя существует множество моделей, пытающихся объяснить везикулярный трафик через аппарат Гольджи, ни одна отдельная модель не может независимо объяснить все наблюдения за аппаратом Гольджи. В настоящее время модель цистернальной прогрессии/созревания является наиболее принятой среди ученых, учитывая многие наблюдения по эукариотам. Другие модели по-прежнему важны для формулирования вопросов и руководства будущими экспериментами. Среди фундаментальных нерешенных вопросов — направленность везикул COPI и роль Rab GTPases в модулировании трафика белковых грузов. ^[14]

Брефельдин А.

Брефельдин А (БФА) — это метаболит грибов, который экспериментально используется для нарушения пути секреции в качестве метода тестирования функции аппарата Гольджи. ^[16] БФА блокирует активацию некоторых факторов АДФ-рибозилирования ( ARF ). ^[17] АRF — это небольшие ГТФазы , которые регулируют везикулярный транспорт посредством связывания COP с эндосомами и аппаратом Гольджи. ^[17] БФА ингибирует функцию нескольких факторов обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), которые опосредуют связывание ГТФ с ARF. ^[17] Таким образом, обработка клеток БФА нарушает путь секреции, способствуя разборке аппарата Гольджи и распределению белков Гольджи в эндосомы и ЭР. ^{[16] [17]}

Галерея

• Динамика дрожжевого Гольджи. Зеленые метки — ранний Гольджи, красные метки — поздний Гольджи. ^[18]
• Два аппарата Гольджи, соединенные лентой в клетке мыши. Кадр из фильма.
• 
  Трехмерная проекция стопки Гольджи млекопитающего, полученная с помощью конфокальной микроскопии , и объемная поверхность, визуализированная с помощью программного обеспечения Imaris . Взято из фильма.

Ссылки

1. Павелк М, Миронов АА (2008). "Наследование аппарата Гольджи". Аппарат Гольджи: современное состояние спустя 110 лет после открытия Камилло Гольджи . Берлин: Springer. стр. 580. doi :10.1007/978-3-211-76310-0_34. ISBN 978-3-211-76310-0.
2. Fabene PF, Bentivoglio M (октябрь 1998 г.). «1898-1998: Камилло Гольджи и «Гольджи»: сто лет терминологических клонов». Brain Research Bulletin . 47 (3): 195–8. doi :10.1016/S0361-9230(98)00079-3. PMID  9865849. S2CID  208785591.
3. Гольджи С (1898). «Intorno alla Struttura delle Cellule Nervose» (PDF) . Bollettino della Società Medico-Chirurgica di Pavia . 13 (1): 316. Архивировано (PDF) из оригинала 7 апреля 2018 г.
4. Davidson MW (2004-12-13). "Аппарат Гольджи". Молекулярные выражения . Университет штата Флорида. Архивировано из оригинала 2006-11-07 . Получено 2010-09-20 .
5. Альбертс, Брюс и др. (1994). Молекулярная биология клетки . Garland Publishing. ISBN 978-0-8153-1619-0.
6. Nakano A, Luini A (август 2010). «Проход через аппарат Гольджи». Current Opinion in Cell Biology . 22 (4): 471–8. doi :10.1016/j.ceb.2010.05.003. PMID  20605430.
7. Suda Y, Nakano A (апрель 2012 г.). «Аппарат Гольджи дрожжей». Traffic . 13 (4): 505–10. doi : 10.1111/j.1600-0854.2011.01316.x . PMID  22132734.
8. Duran JM, Kinseth M, Bossard C, Rose DW, Polishchuk R, Wu CC, Yates J, Zimmerman T, Malhotra V (июнь 2008 г.). «Роль GRASP55 в фрагментации Гольджи и вступлении клеток в митоз». Молекулярная биология клетки . 19 (6): 2579–87. doi :10.1091/mbc.E07-10-0998. PMC 2397314. PMID  18385516 . 
9. Дэй, Кейси Дж.; Каслер, Джейсон К.; Глик, Бенджамин С. (2018). «Почковидные дрожжи имеют минимальную эндомембранную систему». Developmental Cell . 44 (1): 56–72.e4. doi :10.1016/j.devcel.2017.12.014. PMC 5765772. PMID  29316441 . 
10. Day KJ, Staehelin LA , Glick BS (сентябрь 2013 г.). «Трехступенчатая модель структуры и функции аппарата Гольджи». Histochemistry and Cell Biology . 140 (3): 239–49. doi :10.1007/s00418-013-1128-3. PMC 3779436. PMID  23881164 . 
11. Кэмпбелл, Нил А. (1996). Биология (4-е изд.). Менло-Парк, Калифорния: Benjamin/Cummings. стр. 122, 123. ISBN 978-0-8053-1957-6.
12. Уильям Г. Флинн (2008). Биотехнология и биоинженерия. Nova Publishers. стр. 45–. ISBN 978-1-60456-067-1. Получено 13 ноября 2010 г.
13. Prydz K, Dalen KT (январь 2000). «Синтез и сортировка протеогликанов». Journal of Cell Science . 113. 113 Pt 2 (2): 193–205. doi : 10.1242/jcs.113.2.193 . PMID  10633071.
14. Glick BS, Luini A (ноябрь 2011 г.). "Модели для движения Гольджи: критическая оценка". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 3 (11): a005215. doi :10.1101/cshperspect.a005215. PMC 3220355. PMID 21875986  . 
15. Wei JH, Seemann J (ноябрь 2010 г.). «Распутывание ленты Гольджи». Traffic . 11 (11): 1391–400. doi :10.1111/j.1600-0854.2010.01114.x. PMC 4221251 . PMID  21040294. 
16. Marie M, Sannerud R, Avsnes Dale H, Saraste J (сентябрь 2008 г.). «Сядьте на поезд „А“: на скоростных путях к поверхности клетки». Cellular and Molecular Life Sciences . 65 (18): 2859–74. doi :10.1007/s00018-008-8355-0. PMC 7079782 . PMID  18726174. 
17. D'Souza-Schorey C, Chavrier P (май 2006 г.). "ARF-белки: роли в мембранном транспорте и за его пределами". Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 7 (5): 347–58. doi :10.1038/nrm1910. PMID  16633337. S2CID  19092867.
18. Papanikou E, Day KJ, Austin J, Glick BS (2015). «COPI выборочно управляет созреванием раннего аппарата Гольджи». eLife . 4 . doi : 10.7554/eLife.13232 . PMC 4758959 . PMID  26709839. 

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с аппаратом Гольджи на Wikimedia Commons