В клеточной биологии везикула представляет собой структуру внутри или снаружи клетки , состоящую из жидкости или цитоплазмы, окруженной липидным двойным слоем . Везикулы образуются естественным путем в процессах секреции ( экзоцитоз ), поглощения ( эндоцитоз ) и транспорта материалов внутри плазматической мембраны . Альтернативно, их можно получить искусственно, и в этом случае их называют липосомами (не путать с лизосомами ). Если имеется только один бислой фосфолипидов , везикулы называются однослойными липосомами ; иначе их называют мультиламеллярными липосомами . [1] Мембрана, окружающая везикулу, также представляет собой ламеллярную фазу , аналогичную фазе плазматической мембраны , и внутриклеточные везикулы могут сливаться с плазматической мембраной, высвобождая свое содержимое за пределы клетки. Везикулы также могут сливаться с другими органеллами внутри клетки. Везикула, высвободившаяся из клетки, известна как внеклеточная везикула .
Везикулы выполняют разнообразные функции. Поскольку он отделен от цитозоля , внутреннюю часть пузырька 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 химических реакций.
Замкнутая структура, образованная амфифильными молекулами, содержащими 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 (опираясь на более ранние исследования, некоторые из которых были проведены их наставниками) строения и функций клеточных везикул, особенно у дрожжей и люди, включая информацию о частях каждого пузырька и о том, как они собираются. Считается, что дисфункция везикул способствует развитию болезни Альцгеймера , диабета , некоторых трудноизлечимых случаев эпилепсии , некоторых видов рака и иммунологических нарушений, а также некоторых нервно-сосудистых заболеваний. [4] [5]
Вакуоли – это клеточные органеллы, содержащие в основном воду. [ нужна цитата ]
Секреторные пузырьки содержат вещества, подлежащие выведению из клетки. У клеток есть много причин выделять материалы. Одна из причин – вывоз мусора. Другая причина связана с функцией клетки. В более крупном организме некоторые клетки специализируются на выработке определенных химических веществ. Эти химические вещества хранятся в секреторных пузырьках и высвобождаются при необходимости.
Внеклеточные везикулы (ВВ) представляют собой разделенные липидным бислоем частицы, продуцируемые всеми сферами жизни, включая сложные эукариоты, как грамотрицательные, так и грамположительные бактерии, микобактерии и грибы. [7] [8]
Различные типы ЭВ могут быть разделены на основе плотности [9] : Таблица 1 (путем градиентного дифференциального центрифугирования ), размера или поверхностных маркеров. [12] Однако подтипы ЭВ имеют перекрывающиеся диапазоны размеров и плотности, и уникальные для подтипов маркеры должны быть установлены для каждой клетки. Следовательно, трудно точно определить путь биогенеза, который дал начало конкретному ЭВ после того, как он покинул клетку. [8]
У людей эндогенные внеклеточные везикулы, вероятно, играют роль в коагуляции, межклеточной передаче сигналов и утилизации отходов. [9] Они также участвуют в патофизиологических процессах, связанных с множеством заболеваний, включая рак. [13] Внеклеточные везикулы вызвали интерес как потенциальный источник открытия биомаркеров из-за их роли в межклеточной коммуникации, высвобождения в легкодоступные жидкости организма и сходства их молекулярного содержания с молекулярным содержанием высвобождающих клеток. [14] Внеклеточные везикулы (мезенхимальных) стволовых клеток , также известные как секретом стволовых клеток , исследуются и применяются в терапевтических целях, преимущественно при дегенеративных , аутоиммунных и/или воспалительных заболеваниях. [15]
У грамотрицательных бактерий ЭВ производятся путем отщипывания внешней мембраны; однако, как ЭВ покидают толстые клеточные стенки грамположительных бактерий, микобактерий и грибов, до сих пор неизвестно. Эти ЭВ содержат разнообразные грузы, включая нуклеиновые кислоты, токсины, липопротеины и ферменты, и играют важную роль в микробной физиологии и патогенезе. При взаимодействии хозяин-патоген грамотрицательные бактерии продуцируют везикулы, которые играют роль в создании колонизационной ниши, переносе и передаче факторов вирулентности в клетки-хозяева и модулируют защиту и ответ хозяина. [16]
Было обнаружено, что океанические цианобактерии постоянно выделяют в открытый океан пузырьки, содержащие белки, ДНК и РНК. Везикулы, несущие ДНК различных бактерий, широко распространены в образцах морской воды прибрежных и открытых океанов. [17]
Гипотеза мира РНК предполагает, что первые самореплицирующиеся геномы представляли собой нити РНК. Эта гипотеза содержит идею о том, что нити РНК образуют рибозимы (свернутые молекулы РНК), способные катализировать репликацию РНК. Считалось, что этот первичный биологический катализ содержится в везикулах ( протоклетках ) с мембранами, состоящими из жирных кислот и родственных им амфифилов . [18] Направленный на матрицу синтез РНК путем копирования матриц РНК внутри везикул жирных кислот был продемонстрирован Адаматой и Шостаком. [18]
Газовые везикулы используются архей , бактериями и планктонными микроорганизмами, возможно, для контроля вертикальной миграции путем регулирования содержания газа и, следовательно, плавучести , или, возможно, для позиционирования клетки для максимального сбора солнечного света. Эти везикулы обычно представляют собой трубки лимонной или цилиндрической формы, состоящие из белка; [19] их диаметр определяет прочность везикулы, причем более крупные из них слабее. Диаметр пузырька также влияет на его объем и на то, насколько эффективно он может обеспечивать плавучесть. У цианобактерий естественный отбор привел к созданию пузырьков максимально возможного диаметра, но при этом остающихся структурно стабильными. Белковая оболочка проницаема для газов, но не для воды, что предохраняет пузырьки от затопления. [2]
Матриксные везикулы расположены во внеклеточном пространстве или матриксе. С помощью электронной микроскопии они были независимо открыты в 1967 году Х. Кларком Андерсоном [20] и Эрманно Бонуччи. [21] Эти везикулы клеточного происхождения специализируются на инициировании биоминерализации матрикса различных тканей, включая кость , хрящ и дентин . Во время нормальной кальцификации основной приток ионов кальция и фосфата в клетки сопровождает клеточный апоптоз (генетически детерминированное саморазрушение) и образование матриксных везикул. Нагрузка кальцием также приводит к образованию комплексов фосфатидилсерин :кальций:фосфат в плазматической мембране, частично опосредованному белком, называемым аннексинами . Матриксные везикулы отпочковываются от плазматической мембраны в местах взаимодействия с внеклеточным матриксом. Таким образом, матриксные везикулы переносят во внеклеточный матрикс кальций, фосфат, липиды и аннексины, которые способствуют образованию минералов. Эти процессы точно скоординированы, чтобы в нужном месте и в нужное время вызвать минерализацию тканевого матрикса, если только Гольджи не существует. [ нужна цитата ]
Мультивезикулярное тельце , или МВБ, представляет собой мембраносвязанный везикула, содержащую ряд более мелких везикул. [ нужна цитата ]
Некоторые везикулы образуются, когда часть мембраны отщемляется от эндоплазматического ретикулума или комплекса Гольджи. Другие образуются, когда объект вне клетки окружен клеточной мембраной. [ нужна цитата ]
«Шубка» везикулы представляет собой совокупность белков, которые формируют кривизну донорской мембраны, образуя округлую форму везикулы. Белки оболочки также могут связываться с различными белками трансмембранных рецепторов, называемыми карго-рецепторами. Эти рецепторы помогают выбрать, какой материал эндоцитируется при рецептор-опосредованном эндоцитозе или внутриклеточном транспорте.
Существует три типа оболочек пузырьков: клатрин , COPI и COPII . Различные типы белков оболочки помогают сортировать пузырьки до конечного пункта назначения. Клатриновые оболочки обнаруживаются на везикулах, перемещающихся между аппаратом Гольджи и плазматической мембраной , аппаратом Гольджи и эндосомами , а также плазматической мембраной и эндосомами. Везикулы, покрытые COPI, отвечают за ретроградный транспорт из Гольджи в ЭР, тогда как везикулы, покрытые COPII, отвечают за антероградный транспорт из ЭР в Гольджи.
Считается, что клатриновая оболочка собирается в ответ на регуляторный G-белок . Белковая оболочка собирается и разбирается благодаря белку фактора рибозилирования ADP (ARF).
Поверхностные белки, называемые SNARE, идентифицируют груз пузырька, а комплементарные SNARE на целевой мембране вызывают слияние пузырька и целевой мембраны. Предполагается, что такие v-SNARES существуют на мембране везикул, тогда как комплементарные на мембране-мишени известны как t-SNARE. [ нужна цитата ]
Часто SNARE, связанные с везикулами или мембранами-мишенями, вместо этого классифицируются как Qa, Qb, Qc или R SNARE из-за дальнейших вариаций, чем просто v- или t-SNARE. В различных тканях и субклеточных компартментах можно увидеть множество различных комплексов SNARE, при этом у человека в настоящее время идентифицировано 36 изоформ. [ нужна цитата ]
Считается, что регуляторные белки Rab контролируют соединение SNARE. Белок Rab является регуляторным GTP-связывающим белком и контролирует связывание этих комплементарных SNARE в течение достаточно длительного времени, чтобы белок Rab мог гидролизовать связанный с ним GTP и зафиксировать везикулу на мембране.
Белки SNARE у растений изучены недостаточно по сравнению с грибами и животными. Клеточный ботаник Наташа Райхель провела некоторые фундаментальные исследования в этой области, в том числе Zheng et al 1999, в которых она и ее команда обнаружили, что AtVTI1a необходим для транспорта Гольджи ⇄ вакуоли . [22]
Слияние пузырьков может происходить одним из двух способов: полное слияние или слияние по принципу «поцелуй и беги» . Для слияния две мембраны должны быть расположены на расстоянии не более 1,5 нм друг от друга. Для этого вода должна быть вытеснена с поверхности мембраны везикул. Это энергетически невыгодно, и данные свидетельствуют о том, что для этого процесса необходимы АТФ , ГТФ и ацетил-КоА . Слияние также связано с почкованием, поэтому возникает термин «почкование» и «слияние».
Мембранные белки, служащие рецепторами , иногда подвергаются подавлению путем присоединения убиквитина . После прибытия в эндосому по описанному выше пути внутри эндосомы начинают формироваться везикулы, уносящие с собой мембранные белки, предназначенные для деградации; Когда эндосома либо созревает и становится лизосомой , либо соединяется с ней, везикулы полностью разрушаются. Без этого механизма только внеклеточная часть мембранных белков достигла бы просвета лизосомы и только эта часть подверглась бы деградации. [23]
Именно из-за этих везикул эндосому иногда называют мультивезикулярным тельцем . Путь к их образованию до конца не ясен; в отличие от других описанных выше везикул, наружная поверхность везикул не контактирует с цитозолем .
Получение мембранных везикул — один из методов исследования различных мембран клетки. После того, как живая ткань измельчается до состояния суспензии , различные мембраны образуют крошечные закрытые пузырьки. Большие фрагменты измельченных клеток можно отбросить низкоскоростным центрифугированием, а затем выделить фракцию известного происхождения ( плазмалемма , тонопласт и т. д.) прецизионным высокоскоростным центрифугированием в градиенте плотности. Используя осмотический шок , можно временно открыть везикулы (наполнив их необходимым раствором), а затем снова центрифугировать и ресуспендировать в другом растворе. Применение ионофоров, таких как валиномицин , может создавать электрохимические градиенты, сравнимые с градиентами внутри живых клеток.
Везикулы преимущественно используются в двух видах исследований:
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 везикулы. липосомы/везикулы (GUV) размером от 1 до 200 мкм. [26] Меньшие везикулы того же размера, что и транспортные везикулы, обнаруженные в живых клетках, часто используются в биохимии и смежных областях. Для таких исследований гомогенную суспензию фосфолипидных везикул можно приготовить путем экструзии или обработки ультразвуком [27] или путем быстрого введения раствора фосфолипидов в водный буферный раствор. [28] Таким образом, можно приготовить водные растворы везикул с разным фосфолипидным составом, а также везикул разного размера. Более крупные синтетически везикулы, такие как GUV, используются для исследований in vitro в области клеточной биологии , чтобы имитировать клеточные мембраны. Эти везикулы достаточно велики, чтобы их можно было изучить с помощью традиционной флуоресцентной световой микроскопии. Существует множество методов инкапсуляции биологических реагентов, таких как белковые растворы, внутри таких везикул, что делает GUV идеальной системой для воссоздания (и исследования) in vitro клеточных функций в клеточноподобной модельной мембранной среде. [29] Эти методы включают микрофлюидные методы, которые позволяют высокопроизводительно производить везикулы одинакового размера. [30]