В биологии клетки фагосома представляет собой везикулу , образованную вокруг частицы, поглощенной фагоцитом посредством фагоцитоза . Профессиональные фагоциты включают макрофаги , нейтрофилы и дендритные клетки (ДК). [1]
Фагосома образуется путем слияния клеточной мембраны вокруг микроорганизма , стареющей клетки или апоптотической клетки . Фагосомы имеют связанные с мембраной белки для рекрутирования и слияния с лизосомами для образования зрелых фаголизосом . Лизосомы содержат гидролитические ферменты и активные формы кислорода (ROS), которые убивают и переваривают патогены . Фагосомы также могут образовываться в непрофессиональных фагоцитах, но они могут поглощать только меньший диапазон частиц и не содержат ROS. Полезные материалы (например, аминокислоты ) из переваренных частиц перемещаются в цитозоль , а отходы удаляются путем экзоцитоза . Образование фагосом имеет решающее значение для гомеостаза тканей и как врожденной, так и адаптивной защиты хозяина от патогенов.
Однако некоторые бактерии могут использовать фагоцитоз в качестве стратегии вторжения. Они либо размножаются внутри фаголизосомы ( например, Coxiella spp.) [2] , либо убегают в цитоплазму до того, как фагосома сольется с лизосомой (например, Rickettsia spp.). [3] Многие микобактерии, включая Mycobacterium tuberculosis [4] [5] и Mycobacterium avium paratuberculosis [6] , могут манипулировать макрофагом хозяина , чтобы предотвратить слияние лизосом с фагосомами и создание зрелых фаголизосом. Такое неполное созревание фагосомы поддерживает благоприятную среду для патогенов внутри нее. [7]
Фагосомы достаточно велики, чтобы разрушать целые бактерии или апоптотические и стареющие клетки, диаметр которых обычно составляет >0,5 мкм. [8] Это означает, что фагосома на несколько порядков больше эндосомы , которая измеряется в нанометрах .
Фагосомы образуются, когда патогены или опсонины связываются с трансмембранным рецептором, который случайным образом распределен на поверхности клетки фагоцита. После связывания сигнализация «снаружи внутрь» запускает полимеризацию актина и образование псевдоподий , которые окружают и сливаются позади микроорганизма. Протеинкиназа C , фосфоинозитид-3-киназа и фосфолипаза C (PLC) необходимы для сигнализации и контроля интернализации частиц. [9] Больше рецепторов клеточной поверхности могут связываться с частицей по механизму, подобному застежке-молнии, когда патоген окружен, увеличивая авидность связывания . [10] Fc-рецептор (FcR), рецепторы комплемента (CR), рецептор маннозы и дектин-1 являются фагоцитарными рецепторами, что означает, что они могут вызывать фагоцитоз, если они экспрессируются в нефагоцитарных клетках, таких как фибробласты . [11] Другие белки, такие как Toll-подобные рецепторы, участвуют в распознавании патогенных паттернов и часто привлекаются к фагосомам, но не вызывают специфически фагоцитоз в нефагоцитарных клетках, поэтому их не считают фагоцитарными рецепторами.
Опсонины — это молекулярные метки, такие как антитела и комплементы , которые прикрепляются к патогенам и активируют фагоцитоз. Иммуноглобулин G (IgG) — это основной тип антител, присутствующих в сыворотке . Он является частью адаптивной иммунной системы , но связан с врожденным ответом , привлекая макрофаги для фагоцитоза патогенов. Антитело связывается с микробами с помощью вариабельного домена Fab , а домен Fc связывается с рецепторами Fc (FcR), чтобы вызвать фагоцитоз.
Интернализация, опосредованная комплементом, имеет гораздо менее значительные мембранные выступы, но нисходящие сигналы обоих путей сходятся для активации Rho ГТФаз . [12] Они контролируют полимеризацию актина, которая необходима для слияния фагосомы с эндосомами и лизосомами.
Другие непрофессиональные фагоциты обладают некоторой степенью фагоцитарной активности, например, эпителиальные клетки щитовидной железы и мочевого пузыря, которые могут поглощать эритроциты, и эпителиальные клетки сетчатки, которые интернализуют ретинальные палочки. [8] Однако непрофессиональные фагоциты не экспрессируют специфические фагоцитарные рецепторы, такие как FcR, и имеют гораздо более низкую скорость интернализации.
Некоторые инвазивные бактерии также могут вызывать фагоцитоз в нефагоцитарных клетках для опосредования поглощения хозяином. Например, Shigella может секретировать токсины, которые изменяют цитоскелет хозяина и проникают в базолатеральную сторону энтероцитов . [13]
Поскольку мембрана фагосомы образована путем слияния плазматической мембраны, основной состав фосфолипидного бислоя тот же. Эндосомы и лизосомы затем сливаются с фагосомой, чтобы внести свой вклад в мембрану, особенно когда поглощенная частица очень большая, например, паразит . [ 14] Они также доставляют различные мембранные белки в фагосому и изменяют структуру органелл.
Фагосомы могут поглощать искусственные латексные шарики низкой плотности , а затем очищать их по градиенту концентрации сахарозы , что позволяет изучать структуру и состав. [15] Очищая фагосомы в разные моменты времени, можно также охарактеризовать процесс созревания. Ранние фагосомы характеризуются Rab5, который переходит в Rab7 по мере созревания везикулы в поздние фагосомы.
Зарождающаяся фагосома по своей сути не является бактерицидной. По мере созревания она становится более кислой от pH 6,5 до pH 4 и приобретает характерные белковые маркеры и гидролитические ферменты. Различные ферменты функционируют при различных оптимальных значениях pH, образуя диапазон, поэтому каждый из них работает на узких этапах процесса созревания. Активность фермента можно точно настроить, изменив уровень pH, что обеспечивает большую гибкость. Фагосома движется вдоль микротрубочек цитоскелета , последовательно сливаясь с эндосомами и лизосомами в динамической манере «поцелуй и беги» . [16] Этот внутриклеточный транспорт зависит от размера фагосом. Более крупные органеллы (диаметром около 3 мкм) транспортируются очень постоянно от периферии клетки к перинуклеарной области, тогда как более мелкие органеллы (диаметром около 1 мкм) транспортируются более двунаправленно туда и обратно между центром клетки и периферией клетки. [17] Вакуолярные протонные насосы (v-АТФаза) доставляются в фагосому для подкисления отсека органеллы, создавая более враждебную среду для патогенов и способствуя деградации белка. Бактериальные белки денатурируются при низком pH и становятся более доступными для протеаз, на которые не влияет кислая среда. Ферменты позже рециркулируются из фаголизосомы перед экскрецией, поэтому они не тратятся впустую. Состав фосфолипидной мембраны также изменяется по мере созревания фагосомы. [15]
Слияние может занять от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от содержимого фагосомы; слияние, опосредованное FcR или маннозным рецептором, длится менее 30 минут, но фагосомам, содержащим латексные шарики, может потребоваться несколько часов для слияния с лизосомами. [8] Предполагается, что состав мембраны фагосомы влияет на скорость созревания. Mycobacterium tuberculosis имеет очень гидрофобную клеточную стенку , которая, как предполагается, предотвращает рециркуляцию мембраны и привлечение факторов слияния, поэтому фагосома не сливается с лизосомами, и бактерия избегает деградации. [18]
Более мелкие молекулы просвета переносятся путем слияния быстрее, чем более крупные молекулы, что говорит о том, что во время «поцелуя и бегства» между фагосомой и другими везикулами образуется небольшой водный канал, через который возможен лишь ограниченный обмен. [8]
Вскоре после интернализации F-актин деполимеризуется из новообразованной фагосомы, поэтому он становится доступным для эндосом для слияния и доставки белков. [8] Процесс созревания делится на раннюю и позднюю стадии в зависимости от характерных белковых маркеров, регулируемых малыми Rab GTPases. Rab5 присутствует на ранних фагосомах и контролирует переход к поздним фагосомам, отмеченным Rab7. [19]
Rab5 привлекает PI-3 киназу и другие связывающие белки, такие как Vps34, к мембране фагосомы, поэтому эндосомы могут доставлять белки к фагосоме. Rab5 частично участвует в переходе к Rab7 через комплекс CORVET и комплекс HOPS в дрожжах. [19] Точный путь созревания у млекопитающих не совсем понятен, но предполагается, что HOPS может связывать Rab7 и вытеснять ингибитор диссоциации гуанозиновых нуклеотидов (GDI). [20] Rab11 участвует в рециркуляции мембран. [21]
Фагосома сливается с лизосомами, образуя фаголизосому, которая обладает различными бактерицидными свойствами. Фаголизосома содержит активные формы кислорода и азота (ROS и RNS) и гидролитические ферменты. Компартмент также кислый из-за протонных насосов (v-АТФазы), которые транспортируют H + через мембрану, используемую для денатурации бактериальных белков.
Точные свойства фаголизосом различаются в зависимости от типа фагоцита. Те, что находятся в дендритных клетках, обладают более слабыми бактерицидными свойствами, чем те, что находятся в макрофагах и нейтрофилах. Кроме того, макрофаги делятся на провоспалительные «киллеры» M1 и «ремонтные» M2. Фаголизосомы M1 могут метаболизировать аргинин в высокореактивный оксид азота , в то время как M2 используют аргинин для производства орнитина , способствующего пролиферации клеток и восстановлению тканей. [22]
Макрофаги и нейтрофилы являются профессиональными фагоцитами, отвечающими за большую часть деградации патогенов, но у них разные бактерицидные методы. У нейтрофилов есть гранулы, которые сливаются с фагосомой. Гранулы содержат НАДФН-оксидазу и миелопероксидазу , которые производят токсичные производные кислорода и хлора для уничтожения патогенов в окислительном взрыве . Протеазы и антимикробные пептиды также высвобождаются в фаголизосому. У макрофагов нет гранул, и они больше полагаются на закисление фаголизосом, гликозидазы и протеазы для переваривания микробов. [21] Фагосомы в дендритных клетках менее кислые и имеют гораздо более слабую гидролитическую активность из-за более низкой концентрации лизосомальных протеаз и даже присутствия ингибиторов протеазы.
Формирование фагосомы связано с воспалением через общие сигнальные молекулы. Киназа PI-3 и PLC участвуют как в механизме интернализации, так и в запуске воспаления. [9] Эти два белка, наряду с Rho ГТФазами, являются важными компонентами врожденного иммунного ответа, вызывая выработку цитокинов и активируя каскад сигнализации МАР-киназы . Вырабатываются провоспалительные цитокины, включая IL-1β , IL-6 , TNFα и IL-12 . [8]
Процесс строго регулируется, и воспалительная реакция варьируется в зависимости от типа частиц внутри фагосомы. Патоген-инфицированные апоптотические клетки вызывают воспаление, но поврежденные клетки, которые деградируют в рамках нормального оборота тканей, этого не делают. Реакция также различается в зависимости от опосредованного опсонинами фагоцитоза. Реакции, опосредованные FcR и маннозными рецепторами, производят провоспалительные реактивные формы кислорода и молекулы арахидоновой кислоты , но реакции, опосредованные CR, не приводят к образованию этих продуктов. [8]
Незрелые дендритные клетки (ДК) могут фагоцитировать, но зрелые ДК не могут из-за изменений в Rho ГТФазах, участвующих в ремоделировании цитоскелета. [21] Фагосомы ДК менее гидролитические и кислые, чем у макрофагов и нейтрофилов, поскольку ДК в основном участвуют в презентации антигена , а не в деградации патогена. Им необходимо сохранять фрагменты белка подходящего размера для специфического бактериального распознавания, поэтому пептиды деградируют лишь частично. [21] Пептиды из бактерий транспортируются в главный комплекс гистосовместимости (ГКГ). Пептидные антигены представляются лимфоцитам , где они связываются с рецепторами Т-клеток и активируют Т-клетки , преодолевая разрыв между врожденным и адаптивным иммунитетом. [9] Это характерно для млекопитающих , птиц и челюстных рыб, поскольку у насекомых нет адаптивного иммунитета. [23]
Древние одноклеточные организмы, такие как амеба, используют фагоцитоз как способ получения питательных веществ, а не как иммунную стратегию. Они поглощают другие более мелкие микробы и переваривают их в фагосоме примерно по одной бактерии в минуту, что намного быстрее, чем профессиональные фагоциты. [24] Для почвенной амебы Dictyostelium discoideum основным источником пищи являются бактерии Legionella pneumophila , которые вызывают болезнь легионеров у людей. [25] Созревание фагосом у амебы очень похоже на созревание у макрофагов, поэтому их используют в качестве модельного организма для изучения этого процесса. [16]
Фагосомы разрушают стареющие клетки и апоптотические клетки для поддержания гомеостаза тканей. Эритроциты имеют одну из самых высоких скоростей оборота в организме, и они фагоцитируются макрофагами в печени и селезенке . У эмбриона процесс удаления мертвых клеток недостаточно изучен, но он не выполняется макрофагами или другими клетками, полученными из гемопоэтических стволовых клеток . [26] Только у взрослых особей апоптотические клетки фагоцитируются профессиональными фагоцитами. Воспаление вызывается только определенными молекулярными паттернами, связанными с патогенами или повреждениями (PAMP или DAMP), удаление стареющих клеток не является воспалительным. [14]
Аутофагосомы отличаются от фагосом тем, что они в основном используются для избирательной деградации поврежденных цитозольных органелл, таких как митохондрии ( митофагия ). Однако, когда клетка голодает или находится в состоянии стресса, аутофагосомы также могут неизбирательно деградировать органеллы, чтобы обеспечить клетку аминокислотами и другими питательными веществами. [27] Аутофагия не ограничивается профессиональными фагоцитами, она была впервые обнаружена в гепатоцитах крыс клеточным биологом Кристианом де Дювом . [28] Аутофагосомы имеют двойную мембрану, внутреннюю из поглощенной органеллы, а внешняя мембрана, как предполагается, образована из эндоплазматического ретикулума или промежуточного отделения ER-Golgi (ERGIC). [29] Аутофагосома также сливается с лизосомами, чтобы деградировать ее содержимое. Когда M. tuberculosis ингибирует закисление фагосомы, интерферон гамма может вызвать аутофагию и спасти процесс созревания. [30]
Многие бактерии эволюционировали, чтобы избегать бактерицидных свойств фагосом или даже использовать фагоцитоз в качестве стратегии вторжения.