stringtranslate.com

Везикула (биология и химия)

Схема липосомы, образованной фосфолипидами в водном растворе

В биологии клетки везикула — это структура внутри или снаружи клетки , состоящая из жидкости или цитоплазмы , окруженной липидным бислоем . Везикулы образуются естественным образом в процессе секреции ( экзоцитоз ), поглощения ( эндоцитоз ) и транспортировки материалов внутри плазматической мембраны . В качестве альтернативы они могут быть получены искусственно, в этом случае они называются липосомами (не путать с лизосомами ). Если есть только один фосфолипидный бислой , везикулы называются однослойными липосомами ; в противном случае они называются многослойными липосомами . [1] Мембрана, окружающая везикулу, также является ламеллярной фазой , подобной фазе плазматической мембраны , и внутриклеточные везикулы могут сливаться с плазматической мембраной, чтобы высвобождать свое содержимое за пределы клетки. Везикулы также могут сливаться с другими органеллами внутри клетки. Везикула, высвобождаемая из клетки, известна как внеклеточная везикула .

Везикулы выполняют множество функций. Поскольку они отделены от цитозоля , внутреннюю часть везикулы можно сделать отличной от цитозольной среды. По этой причине везикулы являются основным инструментом, используемым клеткой для организации клеточных веществ. Везикулы участвуют в метаболизме , транспорте, контроле плавучести [2] и временном хранении пищи и ферментов. Они также могут действовать как камеры для химических реакций.

Изображение липидных везикул, полученное методом Сарфуса
Определение ИЮПАК

Закрытая структура, образованная амфифильными молекулами, содержащая растворитель (обычно воду). [3]

Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2013 года разделили Джеймс Ротман , Рэнди Шекман и Томас Зюдхоф за их роль в выяснении (на основе более ранних исследований, некоторые из которых были проведены их наставниками) состава и функции клеточных везикул, особенно у дрожжей и у людей, включая информацию о частях каждой везикулы и о том, как они собираются. Считается, что дисфункция везикул способствует болезни Альцгеймера , диабету , некоторым трудно поддающимся лечению случаям эпилепсии , некоторым видам рака и иммунологическим расстройствам, а также определенным нейроваскулярным заболеваниям. [4] [5]

Типы везикулярных структур

Электронная микрофотография клетки, содержащей пищевую вакуоль (fv) и транспортную вакуоль (tv) у малярийного паразита.

Вакуоли

Вакуоли — это клеточные органеллы, содержащие в основном воду. [ необходима цитата ]

Лизосомы

Транспортные везикулы

Секреторные пузырьки

Секреторные пузырьки содержат материалы, которые должны быть выведены из клетки. У клеток есть много причин для выделения материалов. Одна из причин — утилизация отходов. Другая причина связана с функцией клетки. В более крупном организме некоторые клетки специализируются на производстве определенных химических веществ. Эти химические вещества хранятся в секреторных пузырьках и высвобождаются при необходимости.

Типы

Внеклеточные везикулы

Внеклеточные везикулы (ВВ) представляют собой частицы, ограниченные липидным бислоем, которые производятся всеми доменами жизни, включая сложные эукариоты, как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии, микобактерии и грибы. [7] [8]

Типы

Различные типы ВВ могут быть разделены на основе плотности [9] : Таблица 1  (с помощью градиентного дифференциального центрифугирования ), размера или поверхностных маркеров. [12] Однако подтипы ВВ имеют перекрывающиеся диапазоны размеров и плотности, и уникальные для подтипа маркеры должны быть установлены на основе каждой клетки. Поэтому трудно точно определить путь биогенеза, который привел к возникновению конкретного ВВ после того, как он покинул клетку. [8]

У людей эндогенные внеклеточные везикулы, вероятно, играют роль в коагуляции, межклеточной сигнализации и управлении отходами. [9] Они также вовлечены в патофизиологические процессы, связанные с множеством заболеваний, включая рак. [13] Внеклеточные везикулы вызвали интерес как потенциальный источник открытия биомаркеров из-за их роли в межклеточной коммуникации, высвобождении в легкодоступные жидкости организма и сходства их молекулярного содержимого с содержимым высвобождающих клеток. [14] Внеклеточные везикулы (мезенхимальных) стволовых клеток , также известные как секретом стволовых клеток , исследуются и применяются в терапевтических целях, в основном при дегенеративных , аутоиммунных и/или воспалительных заболеваниях. [15]

У грамотрицательных бактерий ВВ образуются путем отщепления внешней мембраны; однако, как ВВ высвобождаются из толстых клеточных стенок грамположительных бактерий, микобактерий и грибов, до сих пор неизвестно. Эти ВВ содержат разнообразный груз, включая нуклеиновые кислоты, токсины, липопротеины и ферменты, и играют важную роль в микробной физиологии и патогенезе. При взаимодействии хозяина и патогена грамотрицательные бактерии образуют везикулы, которые играют роль в установлении ниши колонизации, переносе и передаче факторов вирулентности в клетки хозяина и модулировании защиты и реакции хозяина. [16]

Было обнаружено, что океанические цианобактерии непрерывно высвобождают везикулы, содержащие белки, ДНК и РНК в открытый океан. Везикулы, несущие ДНК различных бактерий, в изобилии присутствуют в прибрежных и открытых океанических образцах морской воды. [17]

Протоклетки

Гипотеза мира РНК предполагает, что первые самовоспроизводящиеся геномы были цепями РНК. Эта гипотеза содержит идею о том, что цепи РНК образовывали рибозимы (свернутые молекулы РНК), способные катализировать репликацию РНК. Считалось, что этот первичный биологический катализ содержался в везикулах ( протоклетках ) с мембранами, состоящими из жирных кислот и связанных с ними амфифилов . [18] Шаблонно-направленный синтез РНК путем копирования матриц РНК внутри везикул жирных кислот был продемонстрирован Адаматой и Шостаком. [18]

Другие типы

Газовые везикулы используются археями , бактериями и планктонными микроорганизмами, возможно, для контроля вертикальной миграции путем регулирования содержания газа и, таким образом, плавучести , или, возможно, для позиционирования клетки для максимального сбора солнечного света. Эти везикулы, как правило, представляют собой лимоновидные или цилиндрические трубки, сделанные из белка; [19] их диаметр определяет прочность везикулы, причем более крупные являются более слабыми. Диаметр везикулы также влияет на ее объем и на то, насколько эффективно она может обеспечивать плавучесть. У цианобактерий естественный отбор работал над созданием везикул, которые имеют максимально возможный диаметр, оставаясь при этом структурно стабильными. Белковая оболочка проницаема для газов, но не для воды, что удерживает везикулы от затопления. [2]

Матричные везикулы расположены внутри внеклеточного пространства, или матрикса. С помощью электронной микроскопии они были обнаружены независимо в 1967 году Х. Кларком Андерсоном [20] и Эрманно Бонуччи. [21] Эти полученные из клеток везикулы специализированы для инициирования биоминерализации матрикса в различных тканях, включая кости , хрящи и дентин . Во время нормальной кальцификации основной приток ионов кальция и фосфата в клетки сопровождает клеточный апоптоз (генетически обусловленное самоуничтожение) и образование матричных везикул. Загрузка кальцием также приводит к образованию комплексов фосфатидилсерин :кальций:фосфат в плазматической мембране, частично опосредованных белком, называемым аннексинами . Матричные везикулы отпочковываются от плазматической мембраны в местах взаимодействия с внеклеточным матриксом. Таким образом, матричные везикулы переносят во внеклеточный матрикс кальций, фосфат, липиды и аннексины, которые действуют как зародыши минерального образования. Эти процессы точно координируются, чтобы в нужном месте и в нужное время вызвать минерализацию матрикса ткани, если только аппарат Гольджи не отсутствует. [ необходима цитата ]

Мультивезикулярное тельце , или МВТ, представляет собой связанную с мембраной везикулу, содержащую ряд более мелких везикул. [22]

Формирование и транспортировка

Некоторые везикулы образуются, когда часть мембраны отщипывает эндоплазматический ретикулум или комплекс Гольджи. Другие образуются, когда объект вне клетки окружается клеточной мембраной. [ необходима цитата ]

Везикула и молекулы-грузы

«Покрытие» везикулы представляет собой набор белков, которые служат для формирования кривизны донорской мембраны, образуя округлую форму везикулы. Белки покрытия также могут связываться с различными трансмембранными рецепторными белками, называемыми рецепторами груза. Эти рецепторы помогают выбирать, какой материал эндоцитируется в опосредованном рецепторами эндоцитозе или внутриклеточном транспорте.

Существует три типа везикулярных оболочек: клатрин , COPI и COPII . Различные типы белков оболочки помогают сортировать везикулы до их конечного пункта назначения. Клатриновые оболочки находятся на везикулах, перемещающихся между Гольджи и плазматической мембраной , Гольджи и эндосомами и плазматической мембраной и эндосомами. Везикулы, покрытые COPI, отвечают за ретроградный транспорт из Гольджи в ЭР, в то время как везикулы, покрытые COPII, отвечают за антероградный транспорт из ЭР в Гольджи.

Предполагается, что клатриновая оболочка собирается в ответ на регуляторный белок G. Белковая оболочка собирается и разбирается под действием белка фактора рибозилирования АДФ (ARF).

Стыковка везикул

Поверхностные белки, называемые SNARE, идентифицируют груз везикулы, а комплементарные SNARE на целевой мембране вызывают слияние везикулы и целевой мембраны. Предполагается, что такие v-SNARES существуют на везикулярной мембране, в то время как комплементарные на целевой мембране известны как t-SNARE. [ необходима цитата ]

Часто SNARE, связанные с везикулами или целевыми мембранами, вместо этого классифицируются как Qa, Qb, Qc или R SNARE из-за дальнейшей вариации, чем просто v- или t-SNARE. Массив различных комплексов SNARE можно увидеть в различных тканях и субклеточных компартментах, при этом в настоящее время у людей идентифицировано 38 изоформ. [23] Считается, что регуляторные белки Rab контролируют присоединение SNARE. Белок Rab является регуляторным GTP-связывающим белком и контролирует связывание этих комплементарных SNARE в течение достаточно длительного времени для того, чтобы белок Rab гидролизовал свой связанный GTP и зафиксировал везикулу на мембране.

Белки SNARE в растениях изучены недостаточно по сравнению с грибами и животными. Специалист по клеточным ботаникам Наташа Райхель провела некоторые из основных исследований в этой области, включая Zheng et al 1999, в котором она и ее команда обнаружили, что AtVTI1a необходим для транспорта Гольджи ⇄ вакуоль . [24]

Слияние везикул

Слияние везикул может происходить одним из двух способов: полное слияние или слияние по принципу «поцелуй и беги» . Для слияния необходимо, чтобы две мембраны находились на расстоянии 1,5 нм друг от друга. Для этого необходимо вытеснить воду с поверхности мембраны везикул. Это энергетически невыгодно, и данные свидетельствуют о том, что для этого процесса требуются АТФ , ГТФ и ацетил-КоА . Слияние также связано с почкованием, поэтому и возник термин «почкование» и «слияние».

В рецепторной понижающей регуляции

Мембранные белки, служащие рецепторами , иногда помечаются для подавления путем присоединения убиквитина . После прибытия в эндосому по описанному выше пути внутри эндосомы начинают формироваться везикулы, забирая с собой мембранные белки, предназначенные для деградации; когда эндосома либо созревает, чтобы стать лизосомой , либо объединяется с ней, везикулы полностью деградируют. Без этого механизма только внеклеточная часть мембранных белков достигла бы просвета лизосомы , и только эта часть была бы деградирована. [25]

Именно из-за этих пузырьков эндосому иногда называют мультивезикулярным телом . Путь их образования до конца не изучен; в отличие от других пузырьков, описанных выше, внешняя поверхность пузырьков не контактирует с цитозолем .

Подготовка

Изолированные везикулы

Получение мембранных везикул является одним из методов исследования различных мембран клетки. После измельчения живой ткани в суспензию различные мембраны образуют крошечные закрытые пузырьки. Большие фрагменты измельченных клеток могут быть отброшены низкоскоростным центрифугированием, а затем фракция известного происхождения ( плазмалемма , тонопласт и т. д.) может быть выделена точным высокоскоростным центрифугированием в градиенте плотности. Используя осмотический шок , можно временно открыть везикулы (заполнив их необходимым раствором), а затем снова центрифугировать и ресуспендировать в другом растворе. Применение ионофоров, таких как валиномицин, может создавать электрохимические градиенты, сопоставимые с градиентами внутри живых клеток.

Везикулы в основном используются в двух типах исследований:

Искусственные везикулы

Искусственные везикулы подразделяются на три группы в зависимости от их размера: небольшие однослойные липосомы/везикулы (SUV) с диапазоном размеров 20–100 нм, большие однослойные липосомы/везикулы (LUV) с диапазоном размеров 100–1000 нм и гигантские однослойные липосомы/везикулы (GUV) с диапазоном размеров 1–200 мкм. [28] Более мелкие везикулы в том же диапазоне размеров, что и транспортные везикулы, обнаруженные в живых клетках, часто используются в биохимии и смежных областях. Для таких исследований гомогенная суспензия фосфолипидных везикул может быть приготовлена ​​путем экструзии или обработки ультразвуком , [29] или путем быстрой инъекции фосфолипидного раствора в водный буферный раствор. [30] Таким образом, водные растворы везикул могут быть приготовлены с различным составом фосфолипидов, а также с различными размерами везикул. Более крупные синтетические везикулы, такие как GUV, используются для исследований in vitro в клеточной биологии для имитации клеточных мембран. Эти везикулы достаточно велики для изучения с помощью традиционной флуоресцентной световой микроскопии. Существует множество методов инкапсуляции биологических реагентов, таких как белковые растворы, в такие везикулы, что делает GUV идеальной системой для воссоздания in vitro (и исследования) функций клеток в клеточно-подобных модельных мембранных средах. [31] Эти методы включают микрофлюидные методы, которые позволяют производить везикулы с высоким выходом и постоянными размерами. [32]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Akbarzadeh A, Rezaei-Sadabady R, Davaran S, Joo SW, Zarghami N, Hanifehpour Y, Samiei M, Kouhi M, Nejati-Koshki K (февраль 2013 г.). "Липосома: классификация, подготовка и применение". Nanoscale Res Lett . 8 (1): 102. Bibcode :2013NRL.....8..102A. doi : 10.1186/1556-276X-8-102 . PMC  3599573 . PMID  23432972.
  2. ^ ab Walsby AE (март 1994). "Газовые пузырьки". Microbiological Reviews . 58 (1): 94–144. doi :10.1128/mmbr.58.1.94-144.1994. PMC 372955 . PMID  8177173. 
  3. ^ Slomkowski S, Alemán JV, Gilbert RG, Hess M, Horie K, Jones RG и др. (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации ИЮПАК 2011 г.)» (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 83 (12): 2229–2259. doi :10.1351/PAC-REC-10-06-03. S2CID  96812603.
  4. ^ "Нобелевская медицинская премия достается 2 американцам и 1 немцу". CNN. 2005-10-19 . Получено 2013-10-09 .
  5. ^ Нобелевская премия по физиологии и медицине 2013 года, пресс-релиз 2013-10-07
  6. ^ Deatherage BL, Cookson BT (июнь 2012 г.). «Выделение мембранных везикул у бактерий, эукариот и архей: сохраненный, но недооцененный аспект микробной жизни». Инфекция и иммунитет . 80 (6): 1948–57. doi :10.1128/IAI.06014-11. PMC 3370574. PMID  22409932. 
  7. ^ Яньес-Мо М., Сильяндер П.Р., Андреу З., Завец А.Б., Боррас Ф.Е., Бузас Э.И. и др. (2015). «Биологические свойства внеклеточных везикул и их физиологические функции». Журнал внеклеточных везикул . 4 : 27066. doi : 10.3402/jev.v4.27066. ПМЦ 4433489 . ПМИД  25979354. 
  8. ^ ab Théry C, Witwer KW, Aikawa E, Alcaraz MJ, Anderson JD, Andriantsitohaina R, et al. (2018). "Минимальная информация для исследований внеклеточных везикул 2018 (MISEV2018): заявление о позиции Международного общества внеклеточных везикул и обновление руководств MISEV2014". Журнал внеклеточных везикул . 7 (1): 1535750. doi :10.1080/20013078.2018.1535750. PMC 6322352 . PMID  30637094. 
  9. ^ abcde van der Pol E, Böing AN, Harrison P, Sturk A, Nieuwland R (июль 2012 г.). «Классификация, функции и клиническая значимость внеклеточных везикул». Pharmacological Reviews . 64 (3): 676–705. doi :10.1124/pr.112.005983. PMID  22722893. S2CID  7764903.Бесплатный полный текст
  10. ^ van der Pol E, Böing AN, Gool EL, Nieuwland R (январь 2016 г.). «Последние разработки в области номенклатуры, наличия, изоляции, обнаружения и клинического воздействия внеклеточных везикул». Журнал тромбоза и гемостаза . 14 (1): 48–56. doi : 10.1111/jth.13190 . PMID  26564379.
  11. ^ Мелентиевич И, Тот МЛ, Арнольд МЛ, Гуасп РДж, Харинат Г, Нгуен КК и др. (февраль 2017 г.). «Нейроны C. elegans сбрасывают белковые агрегаты и митохондрии под нейротоксическим стрессом». Nature . 542 (7641): 367–371. Bibcode :2017Natur.542..367M. doi :10.1038/nature21362. PMC 5336134 . PMID  28178240. 
  12. ^ Матееску Б., Коваль Э.Дж., ван Балком Б.В., Бартель С., Бхаттачарья С.Н., Бузас Э.И. и др. (2017). «Препятствия и возможности функционального анализа внеклеточной везикулярной РНК - позиционный документ ISEV». Журнал внеклеточных везикул . 6 (1): 1286095. doi :10.1080/20013078.2017.1286095. ПМЦ 5345583 . ПМИД  28326170. 
  13. ^ Dhondt B, Rousseau Q, De Wever O, Hendrix A (сентябрь 2016 г.). «Функция внеклеточных везикулярно-ассоциированных miRNAs при метастазах». Cell and Tissue Research . 365 (3): 621–41. doi :10.1007/s00441-016-2430-x. hdl :1854/LU-7250365. PMID  27289232. S2CID  2746182.
  14. ^ Dhondt B, Van Deun J, Vermaerke S, de Marco A, Lumen N, De Wever O, Hendrix A (июнь 2018 г.). «Биомаркеры внеклеточных везикул мочи при урологических раковых заболеваниях: от открытия к клиническому внедрению». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 99 : 236–256. doi : 10.1016/j.biocel.2018.04.009. hdl : 1854/LU-8559155. PMID  29654900. S2CID  4876604.
  15. ^ Teixeira FG, Carvalho MM, Sousa N, Salgado AJ (октябрь 2013 г.). «Секретом мезенхимальных стволовых клеток: новая парадигма регенерации центральной нервной системы?». Cellular and Molecular Life Sciences . 70 (20): 3871–82. doi :10.1007/s00018-013-1290-8. hdl : 1822/25128 . PMID  23456256. S2CID  18640402.
  16. ^ Kuehn MJ, Kesty NC (ноябрь 2005 г.). «Везикулы наружной мембраны бактерий и взаимодействие хозяина и патогена». Genes & Development . 19 (22): 2645–55. doi : 10.1101/gad.1299905 . PMID  16291643.
  17. ^ Biller SJ, Schubotz F, Roggensack SE, Thompson AW, Summons RE, Chisholm SW (январь 2014 г.). «Бактериальные везикулы в морских экосистемах». Science . 343 (6167): 183–6. Bibcode :2014Sci...343..183B. doi :10.1126/science.1243457. hdl : 1721.1/84545 . PMID  24408433. S2CID  206551356.
  18. ^ ab Adamala K, Szostak JW (ноябрь 2013 г.). «Неферментативный синтез РНК, направляемый шаблоном, внутри модельных протоклеток». Science . 342 (6162): 1098–1100. doi :10.1126/science.1241888. PMC 4104020 . PMID  24288333. 
  19. ^ Пфейфер Ф. (октябрь 2012 г.). «Распределение, формирование и регулирование газовых пузырьков». Nature Reviews. Микробиология . 10 (10): 705–15. doi :10.1038/nrmicro2834. PMID  22941504. S2CID  9926129.
  20. ^ Anderson HC (октябрь 1967). «Электронно-микроскопические исследования индуцированного развития хряща и кальцификации». Журнал клеточной биологии . 35 (1): 81–101. doi : 10.1083/jcb.35.1.81. PMC 2107116. PMID  6061727. 
  21. ^ Bonucci E (сентябрь 1967). «Тонкая структура ранней кальцификации хряща». Журнал исследований ультраструктуры . 20 (1): 33–50. doi :10.1016/S0022-5320(67)80034-0. PMID  4195919.
  22. ^ Фон Бартхельд, Кристофер С.; Олтик, Эми Л. (март 2011 г.). «Мультивезикулярные тельца в нейронах: распределение, содержание белка и функции транспортировки». Progress in Neurobiology . 93 (3): 313–340. doi :10.1016/j.pneurobio.2011.01.003. PMC 3055956 . 
  23. ^ Дингджан, Питер. «Эндосомальные и фагосомальные SNARE». Physology.org . Получено 17 июня 2024 г.
  24. ^ Райхель, Наташа В. (2017-04-28). «Firmly Planted, Always Moving». Annual Review of Plant Biology . 68 (1). Annual Reviews : 1–27. doi : 10.1146/annurev-arplant-042916-040829 . ISSN  1543-5008. PMID  27860488.
  25. ^ Katzmann DJ, Odorizzi G, Emr SD (декабрь 2002 г.). «Receptor downregulation and multivesicular-body sorting». Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 3 (12): 893–905. doi :10.1038/nrm973. PMID  12461556. S2CID  1344520.
  26. ^ Сидху ВК, Форхёльтер ФДж, Нихаус К, Ватт СА (июнь 2008 г.). "Анализ белков, ассоциированных с везикулами внешней мембраны, выделенных из патогенной бактерии растений Xanthomonas campestris pv. campestris". BMC Microbiology . 8 : 87. doi : 10.1186/1471-2180-8-87 . PMC 2438364. PMID  18518965 . 
  27. ^ Scherer GG, Martiny-Baron G (1985). «Обменный транспорт K+/H+ в мембранных везикулах растений является доказательством транспорта K+». Plant Science . 41 (3): 161–8. doi :10.1016/0168-9452(85)90083-4.
  28. ^ Walde P, Cosentino K, Engel H, Stano P (май 2010 г.). «Гигантские везикулы: препараты и применение». ChemBioChem . 11 (7): 848–65. doi :10.1002/cbic.201000010. PMID  20336703. S2CID  30723166.
  29. ^ Barenholz Y, Gibbes D, Litman BJ, Goll J, Thompson TE, Carlson RD (июнь 1977). "Простой метод приготовления однородных фосфолипидных везикул". Biochemistry . 16 (12): 2806–10. doi :10.1021/bi00631a035. PMID  889789.
  30. ^ Batzri S, Korn ED (апрель 1973). «Однослойные липосомы, приготовленные без обработки ультразвуком». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 298 (4): 1015–9. doi :10.1016/0005-2736(73)90408-2. PMID  4738145.
  31. ^ Litschel T, Schwille P (март 2021 г.). «Восстановление белка внутри гигантских однослойных везикул». Annual Review of Biophysics . 50 : 525–548. doi : 10.1146/annurev-biophys-100620-114132. PMID  33667121. S2CID  232131463.
  32. ^ Sato Y, Takinoue M (март 2019). «Создание искусственных клеточноподобных структур с помощью технологий микрофлюидики». Micromachines . 10 (4): 216. doi : 10.3390/mi10040216 . PMC 6523379 . PMID  30934758. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки