аппарат Гольджи

Клеточная органелла, упаковывающая белки на экспорт.

Схема одиночной «стопки» Гольджи

Аппарат Гольджи ( / ˈ ɡ ɒ l dʒ i / ), также известный как комплекс Гольджи , тело Гольджи или просто Гольджи , — органелла , обнаруженная в большинстве эукариотических клеток . ^[1] Являясь частью эндомембранной системы цитоплазмы , он упаковывает белки в мембраносвязанные везикулы внутри клетки , прежде чем везикулы отправляются к месту назначения. Он расположен на пересечении секреторных, лизосомальных и эндоцитарных путей. Особое значение он имеет при обработке белков для секреции , поскольку содержит набор ферментов гликозилирования , которые присоединяют к белкам различные мономеры сахара по мере продвижения белков через аппарат.

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

Открытие

Благодаря своим большим размерам и своеобразному строению аппарат Гольджи был одной из первых органелл , которые были открыты и детально изучены. Он был открыт в 1898 году итальянским врачом Камилло Гольджи во время исследования нервной системы . ^{[3] [2]} После первого наблюдения под микроскопом он назвал эту структуру аппаратом reticolare interno («внутренний сетчатый аппарат»). Некоторые поначалу сомневались в этом открытии, утверждая, что внешний вид структуры был всего лишь оптической иллюзией, созданной методом наблюдения, использованным Гольджи. С развитием современных микроскопов в двадцатом веке открытие подтвердилось. ^[4] В ранних ссылках на аппарат Гольджи он упоминался под разными названиями, включая «аппарат Гольджи-Хольмгрена», «каналы Гольджи-Хольмгрена» и «аппарат Гольджи-Копша». ^[2] Термин «аппарат Гольджи» был использован в 1910 году и впервые появился в научной литературе в 1913 году, а «комплекс Гольджи» был введен в 1956 году. ^[2]

Субклеточная локализация

Субклеточная локализация аппарата Гольджи у эукариот неодинакова . У млекопитающих единственный аппарат Гольджи обычно расположен вблизи ядра клетки , рядом с центросомой . Трубчатые соединения отвечают за соединение стопок вместе. Локализация и канальцевые связи аппарата Гольджи зависят от микротрубочек . В экспериментах видно, что по мере деполимеризации микротрубочек аппараты Гольджи теряют взаимные связи и превращаются в отдельные стопки по всей цитоплазме . ^[5] У дрожжей по цитоплазме разбросаны многочисленные аппараты Гольджи (как это наблюдается у Saccharomyces cerevisiae ). У растений стопки Гольджи не сосредоточены в центросомной области и не образуют ленты Гольджи. ^[6] Организация растения Гольджи зависит от актиновых кабелей, а не от микротрубочек. ^[6] Общей особенностью аппаратов Гольджи является то, что они примыкают к местам выхода эндоплазматического ретикулума (ЭР). ^[7]

Состав

3D-рендеринг аппарата Гольджи

У большинства эукариот аппарат Гольджи состоит из ряда отсеков и представляет собой совокупность сросшихся, уплощенных, покрытых мембраной дисков, известных как цистерны (единственное число: цистерны , также называемые «диктиосомами»), происходящих из везикулярных скоплений, отпочковавшихся от эндоплазматическая сеть . Клетка млекопитающего обычно содержит от 40 до 100 стопок цистерн. ^[8] В стопке обычно присутствует от четырех до восьми цистерн; однако у некоторых протистов наблюдалось до шестидесяти цистерн. ^[4] Эта совокупность цистерн разбита на цис- , медиальный и транс- отделения, образуя две основные сети: цис-сеть Гольджи (CGN) и транс-сеть Гольджи (TGN). CGN является первой цистернальной структурой, а TGN — конечной, из которой белки упаковываются в везикулы , предназначенные для лизосом , секреторных везикул или поверхности клетки. TGN обычно располагается рядом со стеком, но может быть и отдельно от него. TGN может действовать как ранняя эндосома у дрожжей и растений . ^{[6] [9]}

У эукариот имеются структурные и организационные различия в аппарате Гольджи. У некоторых дрожжей стэкинг Гольджи не наблюдается. У Pichia Pastoris действительно есть комплекс Гольджи, а у Saccharomyces cerevisiae — нет. ^[6] У растений отдельные стопки аппарата Гольджи, похоже, работают независимо. ^[6]

Аппарат Гольджи имеет тенденцию быть крупнее и многочисленнее в клетках, синтезирующих и секретирующих большое количество веществ; например, В-клетки плазмы иммунной системы, секретирующие антитела , имеют выраженные комплексы Гольджи.

У всех эукариот каждая цистернальная стопка имеет цис- входную и транс- выходную поверхность. Эти лица характеризуются уникальной морфологией и биохимией . ^[10] Внутри отдельных стопок находится набор ферментов , ответственных за выборочную модификацию белкового груза. Эти модификации влияют на судьбу белка. Разделение аппарата Гольджи на компартменты выгодно для разделения ферментов, тем самым поддерживая последовательные и селективные стадии обработки: ферменты, катализирующие ранние модификации, собираются в цис -лицевых цистернах, а ферменты, катализирующие более поздние модификации, обнаруживаются в транс -лицевых цистернах стопок Гольджи. ^{[5] [10]}

Функция

Аппарат Гольджи (лососево-розовый) в контексте секреторного пути.

Аппарат Гольджи является основной станцией сбора и отправки белковых продуктов, поступающих из эндоплазматической сети (ЭР). Белки, синтезируемые в ЭР, упаковываются в везикулы , которые затем сливаются с аппаратом Гольджи. Эти грузовые белки модифицируются и предназначены для секреции посредством экзоцитоза или для использования в клетке. В этом отношении аппарат Гольджи можно рассматривать как аналог почтового отделения: 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 функции аппарата Гольджи тесно связаны. Отдельные стопки содержат различный набор ферментов, что позволяет постепенно обрабатывать белки-грузы по мере их перемещения от цистерн к транс-Гольджи. ^{[5] [10]} Ферментативные реакции внутри стопки Гольджи происходят исключительно вблизи поверхности ее мембраны, где закрепляются ферменты. Эта особенность отличается от ЭР, в просвете которой имеются растворимые белки и ферменты . Большая часть ферментативного процесса представляет собой посттрансляционную модификацию белков. Например, фосфорилирование олигосахаридов на лизосомальных белках происходит на ранних стадиях ХГН. ^[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 трансцистернах . ^[5] Сульфатирование тирозинов и углеводов происходит в пределах ТГН. ^[5] Другие общие посттрансляционные модификации белков включают добавление углеводов ( гликозилирование ) ^[12] и фосфатов ( фосфорилирование ). Модификации белка могут формировать сигнальную последовательность , определяющую конечное место назначения белка. Например, аппарат Гольджи добавляет метку маннозо-6-фосфата к белкам, предназначенным для лизосом . Другая важная функция аппарата Гольджи — образование протеогликанов . Ферменты аппарата Гольджи присоединяют белки к гликозаминогликанам , создавая таким образом 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 (РЭР); 4. Гладкая эндоплазматическая сеть (ГЭР); 5. Рибосома , прикрепленная к RER; 6. Макромолекулы ; 7. Транспортные везикулы ; 8. Аппарат Гольджи; 9. Цис- лицо аппарата Гольджи; 10. Трансфас аппарата Гольджи; 11. Цистерны аппарата Гольджи.

Везикулы , покидающие шероховатую эндоплазматическую сеть, транспортируются к цис- стороне аппарата Гольджи, где сливаются с мембраной Гольджи и опорожняют свое содержимое в просвет . Попав внутрь просвета, 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- лицу, к сложной сети мембран и связанных с ними везикул, известной как транс-сеть Гольджи (TGN). Эта область Гольджи является точкой, в которой белки сортируются и отправляются по назначению путем их помещения в один 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 отсеками.

• В этой модели Гольджи рассматривается как набор стабильных отсеков, которые работают вместе. В каждом отсеке имеется уникальная коллекция ферментов , которые модифицируют белковый груз. Белки доставляются из ЭР к цис- лицу с помощью везикул , покрытых COPII . Затем груз продвигается к транс -границе в везикулах, покрытых COPI . Эта модель предполагает, что везикулы COPI движутся в двух направлениях: антероградные везикулы несут секреторные белки , а ретроградные везикулы рециркулируют транспортные белки, специфичные для Гольджи. ^[14]
  • Сильные стороны: Модель объясняет наблюдения за компартментами, поляризованным распределением ферментов и волнами движущихся везикул. Также делается попытка объяснить, как перерабатываются ферменты, специфичные для аппарата Гольджи. ^[14]
  • Слабые стороны: поскольку количество везикул COPI резко варьируется в зависимости от типа клеток, эта модель не может легко объяснить высокую активность транспорта внутри 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 направлениях. ^[14]
• Эта модель получила широкое распространение 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 и становится зрелой цистерной TGN. После созревания цистерны TGN растворяются и превращаются в секреторные пузырьки. Пока происходит это прогрессирование, везикулы COPI постоянно рециркулируют специфические для Гольджи белки путем доставки от более старых цистерн к более молодым. Различные схемы переработки могут объяснять различную биохимию всей стопки Гольджи. Таким образом, отсеки внутри аппарата Гольджи рассматриваются как дискретные кинетические стадии созревания аппарата Гольджи. ^[14]
  • Сильные стороны: модель учитывает существование компартментов Гольджи, а также различную биохимию внутри цистерн, транспорт крупных белков, временное образование и распад цистерн, а также ретроградную подвижность нативных белков Гольджи. структуры 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/зрелость с гетеротипическим канальцевым транспортом.

• Эта модель является расширением модели цистернального прогрессирования/созревания. Он включает в себя наличие трубчатых соединений между цистернами, образующими ленту Гольджи, в которых цистерны внутри стопки соединяются. Эта модель утверждает, что канальцы важны для двунаправленного движения в системе ER-Гольджи: они обеспечивают быстрый антероградный транспорт небольших грузов и/или ретроградный транспорт нативных белков Гольджи. ^{[14] [15]}
  • Сильные стороны: Эта модель включает в себя сильные стороны модели цистернальной прогрессии/созревания, которая также объясняет быстрый транспорт груза и то, как нативные белки Гольджи могут рециркулировать независимо от везикул COPI. ^[14]
  • Слабые стороны: эта модель не может объяснить кинетику транспорта крупных белковых грузов, таких как коллаген . Кроме того, трубчатые соединения не распространены в растительных клетках. Роли, которые играют эти связи, можно отнести к специфической для клетки специализации, а не к универсальной черте. Если мембраны непрерывны, это предполагает существование механизмов, сохраняющих уникальные биохимические градиенты, наблюдаемые во всем аппарате Гольджи. ^[14]

Модель 4: Быстрое разделение в смешанном аппарате Гольджи.

• Эта модель быстрого разделения представляет собой наиболее радикальное изменение традиционной точки зрения на везикулярный транспорт. Сторонники этой модели предполагают, что Гольджи работает как единое целое, содержащее домены, которые функционируют отдельно при обработке и экспорте белкового груза. Грузы из ER перемещаются между этими двумя доменами и случайным образом выходят с любого уровня Гольджи к своему конечному местоположению. Эта модель подтверждается наблюдением, что груз выходит из Гольджи по схеме, лучше всего описываемой экспоненциальной кинетикой. Существование доменов подтверждается данными флуоресцентной микроскопии. ^[14]
  • Сильные стороны: Примечательно, что эта модель объясняет экспоненциальную кинетику выхода грузов как больших, так и малых белков, тогда как другие модели не могут этого сделать. ^[14]
  • Слабые стороны: эта модель не может объяснить кинетику транспорта крупных белковых грузов, таких как коллаген. Эта модель не может объяснить наблюдение дискретных компартментов и поляризованной биохимии цистерн Гольджи. Это также не объясняет ни формирование и распад сети Гольджи, ни роль везикул COPI. ^[14]

Модель 5: Стабильные отсеки как предшественники цистернальной модели

• Это самая последняя модель. В этой модели Гольджи рассматривается как совокупность стабильных компартментов, определяемых Rab (G-белком) GTPases . ^[14]
  • Сильные стороны: Эта модель согласуется с многочисленными наблюдениями и включает в себя некоторые сильные стороны модели цистернального прогрессирования/созревания. Кроме того, то, что известно о роли Rab GTPase в эндосомах млекопитающих, может помочь предсказать предполагаемую роль в Гольджи. Эта модель уникальна тем, что может объяснить наблюдение транспортных промежуточных продуктов «мегавезикул». ^[14]
  • Слабые стороны: Эта модель не объясняет морфологические вариации аппарата Гольджи и не определяет роль везикул COPI. Эта модель плохо применима для растений, водорослей и грибов, у которых наблюдаются отдельные стопки Гольджи (перенос доменов между стопками маловероятен). Кроме того, не установлено, что мегавезикулы являются переносчиками внутри аппарата Гольджи. ^[14]

Хотя существует множество моделей, которые пытаются объяснить движение везикул по всему аппарату Гольджи, ни одна отдельная модель не может независимо объяснить все наблюдения за аппаратом Гольджи. В настоящее время модель цистернальной прогрессии/зрелости является наиболее принятой среди ученых и учитывает множество наблюдений над эукариотами . Другие модели по-прежнему важны для постановки вопросов и направления будущих экспериментов. Среди фундаментальных вопросов, оставшихся без ответа, - направленность везикул COPI и роль Rab GTPases в модуляции движения белковых грузов. ^[14]

Брефельдин А

Брефелдин А (BFA) представляет собой грибковый метаболит , используемый экспериментально для нарушения пути секреции в качестве метода проверки функции Гольджи. ^[16] BFA блокирует активацию некоторых факторов ADP-рибозилирования ( ARF ). ^[17] ARF представляют собой небольшие ГТФазы , которые регулируют везикулярный транспорт посредством связывания COP с эндосомами и аппаратом Гольджи. ^[17] BFA ингибирует функцию нескольких факторов обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF), которые опосредуют GTP-связывание ARF. ^[17] Таким образом, обработка клеток BFA нарушает путь секреции, способствуя разборке аппарата Гольджи и распределению белков Гольджи по эндосомам и ЭР. ^{[16] [17]}

Галерея

• Динамика дрожжей Гольджи. Зеленые этикетки — ранний Гольджи, красные — поздний Гольджи. ^[18]
• Два стека Гольджи соединены лентой в ячейке мыши. Взято из фильма.
• 
  Трехмерная проекция стопы Гольджи млекопитающих, полученная с помощью конфокальной микроскопии , и объемная поверхность, визуализированная с помощью программного обеспечения Imaris . Взято из фильма.

Рекомендации

1. Павелк М, Миронов АА (2008). «Наследование аппарата Гольджи». Аппарат Гольджи: современное состояние спустя 110 лет после открытия Камилло Гольджи . Берлин: Шпрингер. п. 580. дои : 10.1007/978-3-211-76310-0_34. ISBN 978-3-211-76310-0.
2. Фабене П.Ф., Бентивольо М. (октябрь 1998 г.). «1898-1998: Камилло Гольджи и «Гольджи»: сто лет терминологических клонов». Бюллетень исследований мозга . 47 (3): 195–8. дои : 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. Дэвидсон М.В. (13 декабря 2004 г.). «Аппарат Гольджи». Молекулярные выражения . Государственный университет Флориды. Архивировано из оригинала 7 ноября 2006 г. Проверено 20 сентября 2010 г.
5. Альбертс, Брюс; и другие. (1994). Молекулярная биология клетки . Издательство «Гирлянда». ISBN 978-0-8153-1619-0.
6. Накано А, Луини А (август 2010 г.). «Проход через Гольджи». Современное мнение в области клеточной биологии . 22 (4): 471–8. doi :10.1016/j.ceb.2010.05.003. ПМИД  20605430.
7. Суда Ю, Накано А (апрель 2012 г.). «Дрожжевой аппарат Гольджи». Трафик . 13 (4): 505–10. дои : 10.1111/j.1600-0854.2011.01316.x . ПМИД  22132734.
8. Дюран Дж. М., Кинсет М., Боссард С., Роуз Д.В., Полищук Р., Ву CC, Йейтс Дж., Циммерман Т., Малхотра В. (июнь 2008 г.). «Роль GRASP55 во фрагментации аппарата Гольджи и вступлении клеток в митоз». Молекулярная биология клетки . 19 (6): 2579–87. doi :10.1091/mbc.E07-10-0998. ПМК 2397314 . ПМИД  18385516. 
9. Дэй, Кейси Дж.; Каслер, Джейсон С.; Глик, Бенджамин С. (2018). «Почкующиеся дрожжи имеют минимальную эндомембранную систему». Развивающая клетка . 44 (1): 56–72.e4. дои : 10.1016/j.devcel.2017.12.014. ПМЦ 5765772 . ПМИД  29316441. 
10. Day KJ, Штехелин Л.А. , Глик Б.С. (сентябрь 2013 г.). «Трехэтапная модель структуры и функции Гольджи». Гистохимия и клеточная биология . 140 (3): 239–49. дои : 10.1007/s00418-013-1128-3. ПМЦ 3779436 . ПМИД  23881164. 
11. Кэмпбелл, Нил А. (1996). Биология (4-е изд.). Менло-Парк, Калифорния: Бенджамин/Каммингс. стр. 122, 123. ISBN. 978-0-8053-1957-6.
12. Уильям Г. Флинн (2008). Биотехнология и биоинженерия. Издательство Нова. стр. 45–. ISBN 978-1-60456-067-1. Проверено 13 ноября 2010 г.
13. Придз К., Дален К.Т. (январь 2000 г.). «Синтез и сортировка протеогликанов». Журнал клеточной науки . 113. 113 Ч. 2 (2): 193–205. дои : 10.1242/jcs.113.2.193 . ПМИД  10633071.
14. Глик Б.С., Луини А. (ноябрь 2011 г.). «Модели трафика Гольджи: критическая оценка». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 3 (11): а005215. doi : 10.1101/cshperspect.a005215. ПМК 3220355 . ПМИД  21875986. 
15. Вэй Дж. Х., Зееманн Дж. (ноябрь 2010 г.). «Распутывание ленты Гольджи». Трафик . 11 (11): 1391–400. дои : 10.1111/j.1600-0854.2010.01114.x. ПМК 4221251 . ПМИД  21040294. 
16. Мари М., Саннеруд Р., Авснес Дейл Х., Сарасте Дж. (сентябрь 2008 г.). «Сядьте на поезд «А»: по скоростным путям к поверхности клетки». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 65 (18): 2859–74. дои : 10.1007/s00018-008-8355-0. ПМК 7079782 . ПМИД  18726174. 
17. Д'Суза-Шори С., Шаврье П. (май 2006 г.). «Белки ARF: роль в мембранном транспорте и за его пределами». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 7 (5): 347–58. дои : 10.1038/nrm1910. PMID  16633337. S2CID  19092867.
18. Папанику Э, Дэй К.Дж., Остин Дж., Глик Б.С. (2015). «COPI выборочно стимулирует созревание раннего аппарата Гольджи». электронная жизнь . 4 . дои : 10.7554/eLife.13232 . ПМЦ 4758959 . ПМИД  26709839. 

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с аппаратом Гольджи, на Викискладе?