stringtranslate.com

Фаголизосома

В биологии фаголизосома или эндолизосома — это цитоплазматическое тело, образованное путем слияния фагосомы с лизосомой в процессе, происходящем во время фагоцитоза . Образование фаголизосом необходимо для внутриклеточного разрушения микроорганизмов и патогенов . Это происходит, когда мембраны фагосомы и лизосомы «сталкиваются», и в этот момент содержимое лизосомы, включая гидролитические ферменты , выбрасывается в фагосому взрывным образом и переваривает частицы, поглощенные фагосомой. Некоторые продукты переваривания являются полезными материалами и перемещаются в цитоплазму; другие экспортируются путем экзоцитоза .

Процесс фагоцитоза, демонстрирующий образование фаголизосомы. Лизосома (показана зеленым) сливается с фагосомой, образуя фаголизосому.

Слияние мембран фагосомы и лизосомы регулируется белком Rab5 [1] , G - белком , который обеспечивает обмен веществом между этими двумя органеллами , но препятствует полному слиянию их мембран. [1]

Когда фагосома и лизосома взаимодействуют друг с другом, они образуют полностью развитую фаголизосому. Полностью развитая фаголизосома обладает пищеварительными и асептическими свойствами. Цель фаголизосом — действовать как защитный барьер. Это линия обороны, которая убивает патогенные бактерии, которые могли проскользнуть через обнаружение других клеток иммунной системы. Внеклеточное пространство, которое окружает лизосому, очень кислое, что важно для деградации, поскольку большинство клеток не могут справиться с кислой средой и погибнут, за исключением нескольких. [2]

Функция

Фаголизосомы функционируют, снижая pH своей внутренней среды. Фаголизосома становится все более кислой из-за действия протонных насосов V-АТФазы, достигая pH всего лишь 4,5-5,0. [3] Эта кислая среда необходима для активации гидролитических ферментов и денатурации микробных белков. [4] Это служит защитным механизмом от микробов и других вредных паразитов, а также обеспечивает подходящую среду для деградационной ферментативной активности. [5]

Микробы уничтожаются внутри фаголизосом посредством комбинации окислительных и неокислительных процессов. Окислительный процесс, также известный как респираторный взрыв , включает в себя «немитохондриальное » производство активных форм кислорода . [6]

Снижая pH и концентрацию источников углерода и азота , фаголизомы подавляют рост грибов . Примером может служить ингибирование гиф у Candida albicans . [7]

В человеческих нейтрофилах фаголизосомы уничтожают патогены также путем выработки хлорноватистой кислоты . [8]

Стадии фагоцитоза и формирования фаголизосом

Фагоцитоз и формирование фаголизосом можно разбить на несколько отдельных стадий, каждая из которых включает определенные клеточные процессы и молекулярных участников:

  1. Распознавание сигнала: процесс начинается с воздействия сигнала на целевую частицу или клетку. Этот сигнал, часто называемый сигналом «съешь меня», распознается рецепторами на поверхности фагоцита . [ 9] Затем фагоцит поглощает внеклеточный патоген или частицу, заключая ее в свою мембрану.
  2. Формирование фагоцитарной чаши: после распознавания сигнала к месту привлекаются дополнительные рецепторы, и плазматическая мембрана фагоцита начинает расширяться вокруг цели, образуя структуру, называемую фагоцитарной чашей. [9]
  3. Формирование фагосомы: как только фагоцитарная чаша почти полностью окружила цель, мембранные расширения склеиваются, образуя целую фагосому , содержащую поглощенный материал. [9]
  4. Созревание фагосомы: новообразованная фагосома проходит ряд переходов, похожих на созревание эндосомы . Этот процесс включает в себя рециркуляцию фагоцитарных рецепторов и постепенное закисление просвета фагосомы. [9] На этом этапе фагосома перемещается дальше в цитозоль.
  5. Формирование фаголизосомы: созревающая фагосома сливается с лизосомами, образуя фаголизосому. Это слияние доставляет гидролитические ферменты в фагосому, инициируя деградацию поглощенного материала. [9]
  6. Деградация груза: внутри фаголизосомы начинается деградация груза, часто с разрушения мембраны груза. Лизосомальные гидролазы постепенно расщепляют содержимое на более мелкие молекулы, открывая клеточные компоненты, такие как углеводы , липиды и белки . [9]
  7. Разрешение фаголизосомы: на заключительном этапе фаголизосома может подвергаться тубулированию, высвобождая везикулы , которые могут либо реформировать лизосомы, либо способствовать дальнейшей деградации груза. Этот процесс имеет решающее значение для рециркуляции фаголизосомных компонентов и завершения деградации поглощенных материалов. [9]

Судьба переваренного материала может быть разной. Он может быть убит посредством апоптоза , далее поглощен макрофагами или представлен Т-клеткам для индукции иммунной реакции. [4]

Интересно, что некоторые белки участвуют в нескольких стадиях этого процесса, что указывает на механистическое перекрытие между этими, казалось бы, дискретными этапами. [9] Весь процесс регулируется консервативными белками, участвующими в распознавании, поглощении и переработке внеклеточного мусора.

Исследования с использованием модельных организмов, в частности Caenorhabditis elegans , сыграли важную роль в идентификации молекулярных игроков, участвующих в этих стадиях, и упорядочивании их в отдельные пути. [10] C. elegans предлагает несколько преимуществ для изучения фагоцитоза, включая возможность наблюдать процесс у живых животных с эндогенными грузами in situ . [11] Предсказуемое время гибели клеток и поглощения у C. elegans позволяет проводить покадровую съемку каждого шага на уровне отдельной клетки. [12]

Разрешение фаголизосомы

Разрешение фаголизосомы является заключительной стадией фагоцитарного процесса, включающей распад поглощенного материала и рециркуляцию фаголизосомных компонентов. Большинство исследований не отображают процесс фагоцитоза до конца, вместо этого используя слияние лизосом или закисление просвета фаголизосомы в качестве конечных точек. [9] Кроме того, эта стадия разрешения менее изучена по сравнению с более ранними фазами фагоцитоза, поскольку она может занять значительное количество времени. В то время как поглощение и созревание фагосомы могут происходить за считанные минуты, деградация фаголизосомного груза может занять часы. [13]

Процесс разрешения

Транспорт аминокислот и разрешение фаголизосомы в три этапа: (A) Внутри фаголизосомы гидролазы расщепляют белки на аминокислоты, представленные розовыми и синими точками. Транспортеры аминокислот, такие как LAAT-1 (показан розовым цветом) и SLC-36.1 (показан синим цветом), экспортируют эти различные аминокислоты из просвета фаголизосомы в цитозоль. (B) Экспортированные аминокислоты активируют mTOR (показан зеленым цветом). Эта активация приводит к тубулированию, опосредованному ARL-8. ARL-8 (показан красным цветом), вероятно, взаимодействует с моторными белками и микротрубочками (показаны оранжевым цветом), чтобы облегчить этот процесс. (C) Процесс тубулирования приводит к образованию фаголизосомных везикул. Этот цикл повторяется до тех пор, пока фаголизосома полностью не разрешится.

После слияния фагосомы и лизосомы может произойти процесс разрешения. Деградация начинается с разрушения мембраны груза, чтобы подвергнуть содержимое груза воздействию лизосомальных гидролаз . Считается, что лизосомальные липазы нацелены на мембрану груза, оставляя фаголизосомальную мембрану нетронутой, возможно, из-за защиты гликозилированными белками лизосомальной мембраны. [14] Однако точный механизм, с помощью которого липазы различают эти мембраны, остается неясным.

После того, как мембрана груза нарушена, лизосомальные протеазы и нуклеазы , такие как катепсиновая протеаза CPL-1 и гомолог ДНКазы II NUC-1, разрушают фаголизосомальные грузобелки и нуклеиновые кислоты. [15] Полученные продукты распада, включая аминокислоты , затем транспортируются из фаголизосомы различными транспортерами, включая членов семейства переносчиков растворенных веществ, таких как SLC-36.1 и ортолог SLC66A1 LAAT-1. [16]

Транспортировка продуктов распада из фаголизосомы выполняет множество клеточных функций. В иммунных клетках этот процесс имеет решающее значение для презентации антигена , позволяя клетке передавать информацию о деградированном материале другим компонентам иммунной системы . [17] Кроме того, распад содержимого фаголизосомы может способствовать клеточному метаболизму . Полученные молекулы могут служить сырьем и источниками энергии для различных клеточных процессов, потенциально включая облегчение последующих раундов фагоцитоза . [9] Эта эффективная переработка поглощенного материала подчеркивает роль фаголизосомы не только в защите клеток, но и в получении питательных веществ и управлении энергией.

Динамика мембраны

Недавние исследования с покадровой съемкой выявили динамические изменения в фаголизосомальных мембранах во время разрешения. В течение часа после разрушения грузовой мембраны фаголизосома начинает трубчатую форму и высвобождать везикулы . [13] Этот процесс зависит от небольшой ГТФазы ARL-8, которая связана с моторными белками микротрубочек кинезина . Высвобождаемые фаголизосомальные везикулы играют двойную роль: они способствуют дальнейшей деградации грузовых молекул [13] и способствуют реформированию лизосом путем извлечения лизосомальных гидролаз и мембранных белков. [16]

Сигнализация и регулирование

Экспорт деградированного фаголизосомального содержимого, в частности аминокислот , играет решающую роль в регуляции разрешения фаголизосомы. Транспорт аминокислот такими белками, как SLC-36.1, и последующее распознавание аминокислот приводят к сигнальной функции mTOR , которая необходима для тубулирования фаголизосомы и высвобождения везикул. [16] Однако точный механизм, связывающий сигнальную функцию mTOR с тубулированием, опосредованным ARL-8, еще не полностью изучен. [9]

Значение для функционирования клеток

Разрешение фаголизосомы выполняет несколько важных клеточных функций:

  1. Презентация антигена: в иммунных клетках транспорт продуктов распада из фаголизосомы имеет решающее значение для презентации антигена.
  2. Метаболическая поддержка: Распад содержимого фаголизосом может обеспечить сырье и энергию для клеточных функций, включая дальнейшие раунды фагоцитоза.
  3. Реформация лизосом: везикулы, высвобождаемые во время разрешения фаголизосом, способствуют реформации лизосом, тем самым поддерживая следующий раунд фагоцитоза.
  4. Деградация груза: процессы тубулирования и высвобождения везикул способствуют полной деградации фаголизосомального груза.

Несмотря на недавние достижения, многие аспекты разрешения фаголизосом еще предстоит выяснить, включая специфичность липаз при разрушении мембраны, потенциальные цитозольные механизмы восстановления фаголизосомальной мембраны и точную регуляцию ARL-8 в обеспечении тубуляционности по сравнению с движением целых органелл.

Возбудители болезней

Coxiella burnetii , возбудитель лихорадки Ку , размножается и реплицируется в кислых фаголизосомах своей клетки-хозяина. [18] Кислотность фаголизосомы необходима для C.burnetii для транспортировки глюкозы , глутамата и пролина , а также для синтеза нуклеиновых кислот и белков. [19]

Аналогично, находясь в стадии амастиготы , Leishmania получает все свои пуриновые источники, различные витамины и ряд своих незаменимых аминокислот из фаголизосомы своего хозяина. Leishmania также получают гем из протеолиза белков в фаголизосоме хозяина . [ 16]

Ссылки

  1. ^ ab Duclos S, Diez R, Garin J, Papadopoulou B, Descoteaux A, Stenmark H и др. (октябрь 2000 г.). «Rab5 регулирует слияние по принципу «поцелуй и бег» между фагосомами и эндосомами и приобретение фагосомных лейшманицидных свойств макрофагами RAW 264.7». Journal of Cell Science . 113 (19): 3531–3541. doi :10.1242/jcs.113.19.3531. PMID  10984443.
  2. ^ Lee HJ, Woo Y, Hahn TW, Jung YM, Jung YJ (август 2020 г.). «Формирование и созревание фагосомы: ключевой механизм врожденного иммунитета против внутриклеточной бактериальной инфекции». Микроорганизмы . 8 (9): 1298. doi : 10.3390/microorganisms8091298 . PMC 7564318. PMID  32854338. 
  3. ^ Kissing S, Hermsen C, Repnik U, Nesset CK, von Bargen K, Griffiths G и др. (май 2015 г.). «Вакуолярная АТФаза при слиянии фагосом и лизосом». Журнал биологической химии . 290 (22): 14166–14180. doi : 10.1074/jbc.M114.628891 . PMC 4447986. PMID  25903133 . 
  4. ^ ab Nguyen JA, Yates RM (2021). «Вместе лучше: современные знания о слиянии фагосом и лизосом». Frontiers in Immunology . 12 : 636078. doi : 10.3389/fimmu.2021.636078 . PMC 7946854. PMID  33717183 . 
  5. ^ Levitz SM, Nong SH, Seetoo KF, Harrison TS, Speizer RA, Simons ER (февраль 1999 г.). «Cryptococcus neoformans обитает в кислой фаголизосоме макрофагов человека». Инфекция и иммунитет . 67 (2): 885–890. doi :10.1128/IAI.67.2.885-890.1999. PMC 96400. PMID  9916104 . 
  6. ^ Urban CF, Lourido S, Zychlinsky A (ноябрь 2006 г.). «Как микробы избегают уничтожения нейтрофилами?». Cellular Microbiology . 8 (11): 1687–1696. doi :10.1111/j.1462-5822.2006.00792.x. PMID  16939535. S2CID  33708929.
  7. ^ Erwig LP, Gow NA (март 2016 г.). «Взаимодействие грибковых патогенов с фагоцитами». Nature Reviews. Microbiology . 14 (3): 163–176. doi :10.1038/nrmicro.2015.21. PMID  26853116. S2CID  19668359.
  8. ^ Painter RG, Wang G (май 2006). «Прямое измерение концентраций свободного хлорида в фаголизосомах человеческих нейтрофилов». Аналитическая химия . 78 (9): 3133–3137. doi :10.1021/ac0521706. PMID  16643004.
  9. ^ abcdefghijk Ghose P, Wehman AM (2021-01-01), Jarriault S, Podbilewicz B (ред.), «Развитие и физиологические роли фагоцитоза у Caenorhabditis elegans», Current Topics in Developmental Biology , Nematode Models of Development and Disease, т. 144, Academic Press, стр. 409–432, doi : 10.1016/bs.ctdb.2020.09.001, ISBN 978-0-12-816177-7, получено 2024-10-26
  10. ^ Чакраборти С., Лэмби Э.Дж., Бинду С., Микеладзе-Двали Т., Конрадт Б. (10.12.2015). «Пути поглощения способствуют запрограммированной гибели клеток за счет усиления неравной сегрегации апоптотического потенциала». Nature Communications . 6 (1): 10126. Bibcode :2015NatCo...610126C. doi :10.1038/ncomms10126. ISSN  2041-1723. PMC 4682117 . PMID  26657541. 
  11. ^ Li Z, Lu N, He X, Zhou Z (2013), McCall K, Klein C (ред.), «Мониторинг очистки апоптотических и некротических клеток у нематоды Caenorhabditis elegans», Necrosis , т. 1004, Тотова, Нью-Джерси: Humana Press, стр. 183–202, doi : 10.1007/978-1-62703-383-1_14, ISBN 978-1-62703-382-4, PMC  4038443 , PMID  23733578
  12. ^ Hedgecock EM, Sulston JE, Thomson JN (1983-06-17). «Мутации, влияющие на запрограммированную гибель клеток у нематоды Caenorhabditis elegans s». Science . 220 (4603): 1277–1279. Bibcode :1983Sci...220.1277H. doi :10.1126/science.6857247. ISSN  0036-8075. PMID  6857247.
  13. ^ abc Beer KB, Fazeli G, Judasova K, Irmisch L, Causemann J, Mansfeld J, et al. (2019-08-02). «Репортеры с меткой Degron исследуют топологию мембраны и обеспечивают специфическую маркировку структур, обернутых мембраной». Nature Communications . 10 (1): 3490. Bibcode :2019NatCo..10.3490B. doi :10.1038/s41467-019-11442-z. ISSN  2041-1723. PMC 6677802 . PMID  31375709. 
  14. ^ Левин Р., Гринштейн С., Кантон Дж. (сентябрь 2016 г.). «Жизненный цикл фагосом: формирование, созревание и разрешение». Immunological Reviews . 273 (1): 156–179. doi :10.1111/imr.12439. ISSN  0105-2896.
  15. ^ Wu YC, Stanfield GM, Horvitz HR (2000-03-01). "NUC-1, гомолог ДНКазы II Caenorhabditis elegans, функционирует на промежуточном этапе деградации ДНК во время апоптоза". Genes & Development . 14 (5): 536–548. doi :10.1101/gad.14.5.536. ISSN  0890-9369.
  16. ^ abcd Gan Q, Wang X, Zhang Q, Yin Q, Jian Y, Liu Y и др. (2019-08-05). «Транспортёр аминокислот SLC-36.1 взаимодействует с PtdIns3P 5-киназой для контроля реформации фагоцитарных лизосом». Journal of Cell Biology . 218 (8): 2619–2637. doi :10.1083/jcb.201901074. ISSN  0021-9525. PMC 6683750 . PMID  31235480. 
  17. ^ Heckmann BL, Boada-Romero E, Cunha LD, Magne J, Green DR (2017-11-24). "LC3-ассоциированный фагоцитоз и воспаление". Журнал молекулярной биологии . 429 (23): 3561–3576. doi :10.1016/j.jmb.2017.08.012. ISSN  0022-2836. PMC 5743439. PMID 28847720  . 
  18. ^ Maurin M, Benoliel AM, Bongrand P, Raoult D (декабрь 1992 г.). «Фаголизосомы линий клеток, инфицированных Coxiella burnetii, поддерживают кислый pH во время персистирующей инфекции». Инфекция и иммунитет . 60 (12): 5013–5016. doi :10.1128/iai.60.12.5013-5016.1992. PMC 258270. PMID  1452331 . 
  19. ^ Howe D, Mallavia LP (июль 2000 г.). «Coxiella burnetii проявляет морфологические изменения и задерживает фаголизосомальное слияние после интернализации клетками J774A.1». Инфекция и иммунитет . 68 (7): 3815–3821. doi :10.1128/iai.68.7.3815-3821.2000. PMC 101653. PMID  10858189 .