Эндосомы представляют собой совокупность внутриклеточных сортирующих органелл в эукариотических клетках . Они являются частями эндоцитарного мембранного пути транспорта, происходящего из транс-сети Гольджи . Молекулы или лиганды, интернализованные из плазматической мембраны, могут следовать по этому пути вплоть до лизосом для деградации или могут быть возвращены обратно в клеточную мембрану в эндоцитарном цикле . Молекулы также транспортируются в эндосомы из транс-сети Гольджи и либо продолжают поступать в лизосомы, либо возвращаются обратно в аппарат Гольджи .
Эндосомы можно разделить на ранние, сортирующие и поздние в зависимости от стадии их интернализации. [1] Эндосомы представляют собой основной сортировочный отсек эндомембранной системы клеток. [2]
Эндосомы обеспечивают среду для сортировки материала до того, как он достигнет деградирующей лизосомы. [2] Например, липопротеины низкой плотности (ЛПНП) попадают в клетку путем связывания с рецептором ЛПНП на поверхности клетки. Достигнув ранних эндосом, ЛПНП диссоциируют от рецептора, и рецептор может быть возвращен на поверхность клетки. ЛПНП остаются в эндосомах и доставляются в лизосомы для переработки. ЛПНП диссоциируют из-за слегка подкисленной среды ранней эндосомы, генерируемой вакуолярной мембранной протонной помпой V-АТФазой . С другой стороны, эпидермальный фактор роста (EGF) и рецептор EGF имеют устойчивую к pH связь, которая сохраняется до тех пор, пока не будет доставлена в лизосомы для их деградации. Маннозо -6-фосфатный рецептор несет лиганды из аппарата Гольджи, предназначенные для лизосомы по аналогичному механизму.
Существует три различных типа эндосом: ранние эндосомы , поздние эндосомы и рециркулирующие эндосомы . [2] Они отличаются временем, которое требуется эндоцитозированному материалу, чтобы достичь их, и такими маркерами, как Rabs . [3] Они также имеют разную морфологию. Как только эндоцитарные везикулы лишаются оболочки, они сливаются с ранними эндосомами. Ранние эндосомы затем созревают в поздние эндосомы перед слиянием с лизосомами. [4] [5]
Ранние эндосомы созревают несколькими способами с образованием поздних эндосом. Они становятся все более кислыми, главным образом, за счет активности V-АТФазы. [6] Многие молекулы, которые перерабатываются, удаляются путем концентрации в трубчатых областях ранних эндосом. Потеря этих канальцев в путях рециркуляции означает, что в поздних эндосомах канальцы в основном отсутствуют. Они также увеличиваются в размерах за счет гомотипического слияния ранних эндосом в более крупные пузырьки. [7] Молекулы также сортируются на более мелкие везикулы, которые отпочковываются от мембраны по периметру в просвет эндосомы, образуя внутрипросветные везикулы (ILV); это приводит к появлению мультивезикулярных поздних эндосом, поэтому они также известны как мультивезикулярные эндосомы или мультивезикулярные тельца (MVB). Удаление рециркулирующих молекул, таких как рецепторы трансферрина и рецепторы маннозо-6-фосфата, продолжается в течение этого периода, вероятно, посредством отпочкования везикул из эндосом. [4] Наконец, эндосомы теряют RAB5A и приобретают RAB7A , что делает их способными к слиянию с лизосомами. [7]
Было показано, что слияние поздних эндосом с лизосомами приводит к образованию «гибридного» компартмента с промежуточными характеристиками по сравнению с двумя исходными компартментами. [8] Например, лизосомы более плотные, чем поздние эндосомы, а гибриды имеют промежуточную плотность. Лизосомы восстанавливаются путем реконденсации до своей нормальной, более высокой плотности. Однако прежде чем это произойдет, более поздние эндосомы могут слиться с гибридом.
Некоторый материал возвращается в плазматическую мембрану непосредственно из ранних эндосом [9] , но большая часть перемещается через рециркулирующие эндосомы.
Больше подтипов существует в специализированных клетках, таких как поляризованные клетки и макрофаги .
Фагосомы , макропиносомы и аутофагосомы [14] созревают аналогично эндосомам, и для их созревания может потребоваться слияние с нормальными эндосомами. Некоторые внутриклеточные патогены нарушают этот процесс, например, предотвращая приобретение RAB7. [15]
Поздние эндосомы/MVB иногда называют эндоцитическими везикулами-носителями , но этот термин использовался для описания везикул, которые отпочковываются от ранних эндосом и сливаются с поздними эндосомами. Однако несколько наблюдений (описанных выше) теперь продемонстрировали, что более вероятно, что транспорт между этими двумя компартментами происходит в процессе созревания, а не везикулярный транспорт.
Еще одной уникальной отличительной особенностью, которая различается между различными классами эндосом, является липидный состав их мембран. Обнаружено , что фосфатидилинозитолфосфаты (PIP), одна из наиболее важных липидных сигнальных молекул, различаются по мере созревания эндосом от раннего к позднему. PI(4,5)P2 присутствует на плазматических мембранах , PI(3)P — на ранних эндосомах, PI(3,5)P2 — на поздних эндосомах и PI(4)P — в транс-сети Гольджи . [16] Эти липиды на поверхности эндосом помогают специфически рекрутировать белки из цитозоля, обеспечивая тем самым их идентичность. Взаимное превращение этих липидов является результатом согласованного действия фосфоинозитидкиназ и фосфатаз , которые стратегически локализованы [17].
Существует три основных отсека, которые имеют пути, соединяющиеся с эндосомами. Больше путей существует в специализированных клетках, таких как меланоциты и поляризованные клетки. Например, в эпителиальных клетках особый процесс, называемый трансцитозом, позволяет некоторым материалам проникать в одну сторону клетки и выходить из противоположной. Кроме того, в некоторых случаях поздние эндосомы/MVB сливаются с плазматической мембраной, а не с лизосомами, высвобождая просветные везикулы, теперь называемые экзосомами , во внеклеточную среду.
Нет единого мнения относительно точной природы этих путей, и последовательный маршрут, по которому проходит тот или иной груз в любой конкретной ситуации, будет, как правило, предметом споров.
Везикулы проходят между аппаратом Гольджи и эндосомами в обоих направлениях. GGA и адаптеры везикул , покрытые клатрином AP-1, образуют везикулы в аппарате Гольджи, которые переносят молекулы к эндосомам. [18] В противоположном направлении ретромер генерирует везикулы на ранних эндосомах, которые переносят молекулы обратно в Гольджи. Некоторые исследования описывают путь ретроградного движения от поздних эндосом к Гольджи, который опосредован Rab9 и TIP47 , но другие исследования оспаривают эти результаты. Молекулы, которые следуют этим путям, включают рецепторы маннозо-6-фосфата, которые переносят лизосомальные гидролазы на эндоцитарный путь. Гидролазы высвобождаются в кислой среде эндосом, а рецептор доставляется в аппарат Гольджи с помощью ретромера и Rab9.
Молекулы доставляются от плазматической мембраны к ранним эндосомам в эндоцитарных везикулах. Молекулы могут интернализоваться посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза в везикулах, покрытых клатрином . На плазматической мембране этого пути также образуются другие типы везикул, в том числе те, которые используют кавеолин . Везикулы также транспортируют молекулы непосредственно обратно к плазматической мембране, но многие молекулы транспортируются в везикулах, которые сначала сливаются с рециркулирующими эндосомами. [19] Молекулы, следующие по этому пути рециркуляции, концентрируются в канальцах ранних эндосом. Молекулы, которые следуют этим путям, включают рецепторы ЛПНП , эпидермального фактора роста (EGF) и белка-транспортера железа трансферрина. Интернализация этих рецепторов из плазматической мембраны происходит путем рецептор-опосредованного эндоцитоза. ЛПНП высвобождаются в эндосомах из-за более низкого pH, и рецептор возвращается на поверхность клетки. Холестерин переносится в крови преимущественно (ЛПНП), а транспорт рецептором ЛПНП является основным механизмом поглощения холестерина клетками. EGFR активируются при связывании EGF. Активированные рецепторы стимулируют собственную интернализацию и деградацию в лизосомах. EGF остается связанным с рецептором EGF (EGFR) после эндоцитоза в эндосомах. Активированные EGFR стимулируют собственное убиквитинирование, и это направляет их в просветные пузырьки (см. ниже), поэтому они не возвращаются в плазматическую мембрану. Это удаляет сигнальную часть белка из цитозоля и, таким образом, предотвращает дальнейшую стимуляцию роста [20] - в клетках, не стимулированных EGF, EGFR не имеют связанного с ними EGF и, следовательно, перерабатываются, если достигают эндосом. [21] Трансферрин также остается связанным со своим рецептором, но в кислой эндосоме железо высвобождается из трансферрина, а затем трансферрин, не содержащий железа (все еще связанный с рецептором трансферрина), возвращается из ранней эндосомы на поверхность клетки. как напрямую, так и через рециркуляцию эндосом. [22]
Транспорт от поздних эндосом к лизосомам, по существу, однонаправлен, поскольку поздняя эндосома «съедается» в процессе слияния с лизосомой (иногда называемой эндолизосомой [23] [24] ). Следовательно, в просвете эндосом появляются растворимые молекулы. будут иметь тенденцию оказаться в лизосомах, если их не извлечь каким-либо образом. Трансмембранные белки могут доставляться по периметру мембраны или в просвет лизосом. Трансмембранные белки, предназначенные для просвета лизосом, сортируются в везикулы, которые отпочковываются от мембраны по периметру в эндосомы, и этот процесс начинается в ранних эндосомах. Считается, что процесс создания везикул внутри эндосомы усиливается за счет своеобразного липидного BMP или LBPA, который обнаруживается только в поздних эндосомах, эндолизосомах или лизосомах. [12] Когда эндосома созревает в позднюю эндосому/MVB и сливается с лизосомой, везикулы из просвета доставляются в просвет лизосомы. Белки маркируются для этого пути добавлением убиквитина . [25] Эндосомальные сортировочные комплексы, необходимые для транспорта (ESCRT), распознают этот убиквитин и сортируют белок в формирующиеся просветные везикулы. [26] Молекулы, которые следуют этим путям, включают ЛПНП и лизосомальные гидролазы, доставляемые маннозо-6-фосфатными рецепторами. Эти растворимые молекулы остаются в эндосомах и поэтому доставляются в лизосомы. Кроме того, трансмембранные EGFR, связанные с EGF, метятся убиквитином и поэтому сортируются в просветные везикулы с помощью ESCRT.