Эндоцитоз — это клеточный процесс , в ходе которого вещества поступают в клетку. Материал, который должен быть интернализован, окружен областью клеточной мембраны , которая затем отпочковывается внутри клетки, образуя везикулу, содержащую поглощенные материалы. Эндоцитоз включает пиноцитоз (питье клеток) и фагоцитоз (поедание клеток). Это форма активного транспорта.
Клатрин-опосредованный эндоцитоз опосредуется образованием небольших (приблизительно 100 нм в диаметре) везикул, имеющих морфологически характерную оболочку, состоящую из цитозольного белка клатрина . [4] Клатрин-покрытые везикулы (CCV) встречаются практически во всех клетках и образуют домены плазматической мембраны, называемые ямками, покрытыми клатрином. Покрытые ямки могут концентрировать крупные внеклеточные молекулы, которые имеют различные рецепторы , ответственные за рецептор-опосредованный эндоцитоз лигандов, например, липопротеинов низкой плотности , трансферрина , факторов роста , антител и многих других. [5]
Исследование [6] на клетках млекопитающих подтверждает уменьшение размера клатринового покрытия в среде с повышенным натяжением. Кроме того, оно предполагает, что два явно различных режима сборки клатрина, а именно покрытые ямки и покрытые бляшки, наблюдаемые в экспериментальных исследованиях, могут быть следствием различных напряжений в плазматической мембране.
Кавеолы являются наиболее часто встречающимися не покрытыми клатрином почками плазматической мембраны, которые существуют на поверхности многих, но не всех типов клеток. Они состоят из холестеринсвязывающего белка кавеолина (Vip21) с бислоем, обогащенным холестерином и гликолипидами . Кавеолы представляют собой небольшие (приблизительно 50 нм в диаметре) колбообразные углубления в мембране, которые напоминают форму пещеры (отсюда и название кавеолы). Они могут составлять до трети площади плазматической мембраны клеток некоторых тканей, будучи особенно многочисленными в гладких мышцах , пневмоцитах типа I, фибробластах , адипоцитах и эндотелиальных клетках . [7] Также считается, что поглощение внеклеточных молекул специфически опосредуется через рецепторы в кавеолах.Слева направо: фагоцитоз, пиноцитоз, рецептор-опосредованный эндоцитоз.
Потоцитоз — это форма рецептор-опосредованного эндоцитоза, которая использует везикулы кавеол для доставки молекул различных размеров в клетку. В отличие от большинства эндоцитозов, которые используют кавеолы для доставки содержимого везикул в лизосомы или другие органеллы, материал, эндоцитированный посредством потоцитоза, высвобождается в цитозоль. [8]
Пиноцитоз , который обычно происходит из сильно гофрированных областей плазматической мембраны, представляет собой инвагинацию клеточной мембраны с образованием кармана, который затем отщипывается в клетку, образуя везикулу (диаметром 0,5–5 мкм), заполненную большим объемом внеклеточной жидкости и молекул внутри нее (эквивалентно ~100 CCV). Заполнение кармана происходит неспецифическим образом. Затем везикула перемещается в цитозоль и сливается с другими везикулами, такими как эндосомы и лизосомы . [9]
Более поздние эксперименты показали, что эти морфологические описания эндоцитозных событий могут быть неадекватными, и более подходящий метод классификации может основываться на том, зависят ли конкретные пути от клатрина и динамина .
Динамин-зависимые клатрин-независимые пути включают поглощение FEME , UFE, ADBE, EGFR-NCE и IL2Rβ. [10]
Динамин-независимые клатрин-независимые пути включают путь CLIC/GEEC (регулируемый Graf1 ), [11] а также MEND и макропиноцитоз . [10]
Эндоцитарный путь клеток млекопитающих состоит из отдельных мембранных отсеков, которые интернализуют молекулы из плазматической мембраны и возвращают их обратно на поверхность (как в ранних эндосомах и рециркулирующих эндосомах) или сортируют их для деградации (как в поздних эндосомах и лизосомах). Основными компонентами эндоцитарного пути являются: [3]
Ранние эндосомы являются первым отсеком эндоцитозного пути. Ранние эндосомы часто располагаются на периферии клетки и принимают большинство типов везикул, поступающих с поверхности клетки. Они имеют характерную тубуло-везикулярную структуру (везикулы диаметром до 1 мкм с соединенными трубочками диаметром около 50 нм) и слабокислый pH. Они в основном являются сортировочными органеллами, где многие эндоцитозированные лиганды диссоциируют от своих рецепторов в кислом pH отсека, и из которых многие рецепторы возвращаются на поверхность клетки (через трубочки). [12] [13] Это также место сортировки в трансцитозный путь к более поздним отсекам (таким как поздние эндосомы или лизосомы) через трансвезикулярные отсеки (такие как мультивезикулярные тельца (MVB) или эндосомальные везикулы-переносчики (ECV)).
Поздние эндосомы получают эндоцитированный материал по пути к лизосомам , обычно из ранних эндосом в эндоцитозном пути, из транс-Гольджи сети (TGN) в биосинтетическом пути и из фагосом в фагоцитарном пути. [14] Поздние эндосомы часто содержат белки, характерные для нуклеосом, митохондрий и мРНК, включая лизосомальные мембранные гликопротеины и кислые гидролазы. Они кислые (приблизительно pH 5,5) и являются частью пути транспортировки рецепторов маннозо-6-фосфата . Считается, что поздние эндосомы опосредуют окончательный набор событий сортировки перед доставкой материала в лизосомы.
Лизосомы являются последним отделением эндоцитарного пути. Их главная функция заключается в расщеплении клеточных отходов, жиров, углеводов, белков и других макромолекул на простые соединения. Затем они возвращаются в цитоплазму в качестве новых строительных материалов для клеток. Для этого лизосомы используют около 40 различных типов гидролитических ферментов, все из которых производятся в эндоплазматическом ретикулуме, модифицируются в аппарате Гольджи и функционируют в кислой среде. [15] Приблизительный pH лизосомы составляет 4,8, и при электронной микроскопии (ЭМ) они обычно выглядят как большие вакуоли (1-2 мкм в диаметре), содержащие электронно-плотный материал. Они имеют высокое содержание лизосомальных мембранных белков и активных лизосомальных гидролаз, но не имеют рецептора маннозо-6-фосфата. Они, как правило, считаются основным гидролитическим отделением клетки. [16] [17]
Недавно было обнаружено, что эйзосома служит порталом эндоцитоза у дрожжей. [18]
Клатрин-опосредованный
Основной путь эндоцитоза в большинстве клеток, и наиболее изученный, — это путь, опосредованный молекулой клатрина . [19] [20] Этот большой белок помогает в образовании покрытой ямки на внутренней поверхности плазматической мембраны клетки. Эта ямка затем отпочковывается в клетку, образуя покрытую везикулу в цитоплазме клетки. При этом она вносит в клетку не только небольшую область поверхности клетки, но и небольшой объем жидкости извне клетки. [21] [22] [23]
Функцией оболочек является деформация донорской мембраны для образования везикулы, а также они участвуют в выборе груза везикулы. Комплексы оболочек, которые были хорошо охарактеризованы на данный момент, включают белок оболочки-I (COP-I), COP-II и клатрин. [24] [25] Клатриновые оболочки участвуют в двух важнейших этапах транспортировки: (i) опосредованный рецепторами и жидкофазный эндоцитоз от плазматической мембраны к ранней эндосоме и (ii) транспорт от TGN к эндосомам. При эндоцитозе клатриновая оболочка собирается на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны, образуя ямки, которые инвагинируют, чтобы отщипнуть (разрез) и стать свободными CCV. В культивируемых клетках сборка CCV занимает ~ 1 мин, и каждую минуту может образовываться от нескольких сотен до тысячи или более. [26] Основным компонентом каркаса клатриновой оболочки является белок массой 190 кДа, называемый тяжелой цепью клатрина (CHC), который связан с белком массой 25 кДа, называемым легкой цепью клатрина (CLC), образуя трехногие тримеры, называемые трискелионами.
Везикулы избирательно концентрируют и исключают определенные белки во время формирования и не являются репрезентативными для мембраны в целом. Адаптеры AP2 представляют собой многосубъединичные комплексы, которые выполняют эту функцию на плазматической мембране. Наиболее изученными рецепторами, которые обнаруживаются сконцентрированными в покрытых везикулах клеток млекопитающих, являются рецептор ЛПНП (который удаляет ЛПНП из циркулирующей крови), рецептор трансферрина (который переносит ионы железа, связанные трансферрином, в клетку) и некоторые гормональные рецепторы (например, для EGF ).
В любой момент времени около 25% плазматической мембраны фибробласта состоит из покрытых ямок. Поскольку покрытой ямке требуется около минуты, прежде чем она отпочковывается в клетку, фибробласт занимает ее поверхность этим путем примерно раз в 50 минут. Покрытые везикулы, образованные из плазматической мембраны, имеют диаметр около 100 нм и время жизни, измеряемое несколькими секундами. После того, как оболочка сбрасывается, оставшаяся везикула сливается с эндосомами и продвигается по эндоцитарному пути. Фактический процесс отпочкования, при котором ямка превращается в везикулу, осуществляется клатрином; при содействии набора цитоплазматических белков, который включает динамин и адаптеры, такие как адаптин .
Покрытые ямки и везикулы были впервые обнаружены в тонких срезах ткани в электронном микроскопе Томасом Ф. Ротом и Кейтом Р. Портером . [27] Их важность для выведения ЛПНП из крови была обнаружена Ричардом Г. Андерсоном, Майклом С. Брауном и Джозефом Л. Голдштейном в 1977 году. [28] Покрытые везикулы были впервые очищены Барбарой Пирс , которая открыла молекулу клатриновой оболочки в 1976 году. [29]
Процессы и компоненты
Белки кавеолина, такие как кавеолин-1 ( CAV1 ), кавеолин-2 ( CAV2 ) и кавеолин-3 ( CAV3 ), играют важную роль в процессе формирования кавеол. Более конкретно, CAV1 и CAV2 отвечают за формирование кавеол в немышечных клетках, в то время как CAV3 функционирует в мышечных клетках. Процесс начинается с синтеза CAV1 в ЭР , где он образует устойчивые к детергентам олигомеры . Затем эти олигомеры проходят через комплекс Гольджи , прежде чем достичь поверхности клетки, чтобы помочь в формировании кавеол. Образование кавеол также обратимо посредством разборки при определенных условиях, таких как повышенное натяжение плазматической мембраны. Эти определенные условия затем зависят от типа тканей, которые выражают функцию кавеол. Например, не все ткани, которые имеют кавеолярные белки, имеют кавеолярную структуру, т. е. гематоэнцефалический барьер . [30]
Хотя существует множество морфологических особенностей, сохраняющихся среди кавеол, функции каждого белка CAV разнообразны. Одной из общих черт кавеолинов являются их гидрофобные участки потенциальных шпилечных структур, которые состоят из α-спиралей . Вставка этих шпилеобразных α-спиралей образует покрытие кавеол, которое приводит к искривлению мембраны. Помимо вставки, кавеолины также способны к олигомеризации, которая в дальнейшем играет роль в искривлении мембраны. Недавние исследования также обнаружили, что полимераза I, фактор высвобождения транскрипта и реакция белка депривации сыворотки также играют роль в сборке кавеол. Помимо сборки кавеол, исследователи также обнаружили, что белки CAV1 также могут влиять на другие эндоцитарные пути. Когда CAV1 связывается с Cdc42 , CAV1 инактивирует его и регулирует активность Cdc42 во время событий мембранного транспорта. [31]
Механизмы
Процесс поглощения клеткой зависит от наклона и хиральности составляющих молекул, чтобы вызвать почкование мембраны. Поскольку такие хиральные и наклонные липидные молекулы, вероятно, находятся в форме «плота», исследователи предполагают, что образование кавеол также следует этому механизму, поскольку кавеолы также обогащены составляющими плота. Когда белки кавеолина связываются с внутренним листком через холестерин , мембрана начинает изгибаться, что приводит к спонтанной кривизне. Этот эффект обусловлен распределением силы, возникающим при связывании олигомера кавеолина с мембраной. Затем распределение силы изменяет натяжение мембраны, что приводит к почкованию и в конечном итоге образованию везикул. [32]
Галерея
Эндоцитоз. Например, коронавирус SARS-CoV-2 связывается с рецептором ACE2 эпителиальной клетки .
^ Михаэлис А., Грин М. М., Ригер Р. (1991). Глоссарий генетики: классическая и молекулярная (Пятое изд.). Берлин: Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-75333-6.
^ ab Marsh M (2001). Эндоцитоз . Oxford University Press. стр. vii. ISBN978-0-19-963851-2.
^ McMahon HT, Boucrot E (июль 2011 г.). «Молекулярный механизм и физиологические функции эндоцитоза, опосредованного клатрином». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 12 (8): 517–33. doi :10.1038/nrm3151. PMID 21779028. S2CID 15235357.
^ Марш М., Макмахон Х. Т. (июль 1999 г.). «Структурная эра эндоцитоза». Science . 285 (5425): 215–220. doi :10.1126/science.285.5425.215. PMID 10398591.
^ Irajizad E, Walani N, Veatch SL, Liu AP, Agrawal A (февраль 2017 г.). «Полимеризация клатрина проявляет высокую механо-геометрическую чувствительность». Soft Matter . 13 (7): 1455–1462. Bibcode :2017SMat...13.1455I. doi :10.1039/C6SM02623K. PMC 5452080 . PMID 28124714.
^ Parton RG, Simons K (март 2007). «Множественные грани кавеол». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . 8 (3): 185–194. doi :10.1038/nrm2122. PMID 17318224. S2CID 10830810.
^ Mineo C, Anderson RG (август 2001 г.). «Potocytosis. Robert Feulgen Lecture». Histochemistry and Cell Biology . 116 (2): 109–118. doi :10.1007/s004180100289. PMID 11685539.
^ Falcone S, Cocucci E, Podini P, Kirchhausen T, Clementi E, Meldolesi J (ноябрь 2006 г.). «Макропиноцитоз: регулируемая координация эндоцитарных и экзоцитарных событий мембранного транспорта». Journal of Cell Science . 119 (Pt 22): 4758–4769. doi :10.1242/jcs.03238. PMID 17077125. S2CID 14303429.
^ ab Casamento A, Boucrot E (июнь 2020 г.). «Молекулярный механизм быстрого эндоцитоза, опосредованного эндофилином». The Biochemical Journal . 477 (12): 2327–2345. doi :10.1042/bcj20190342. PMC 7319585. PMID 32589750 .
^ Lundmark R, Doherty GJ, Howes MT, Cortese K, Vallis Y, Parton RG, McMahon HT (ноябрь 2008 г.). «Активирующий ГТФазу белок GRAF1 регулирует эндоцитозный путь CLIC/GEEC». Current Biology . 18 (22): 1802–1808. doi :10.1016/j.cub.2008.10.044. PMC 2726289 . PMID 19036340.
^ Меллман I (1996). «Эндоцитоз и молекулярная сортировка». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 12 : 575–625. doi :10.1146/annurev.cellbio.12.1.575. PMID 8970738.
^ Мукерджи С., Гош Р. Н., Максфилд Ф. Р. (июль 1997 г.). «Эндоцитоз». Physiological Reviews . 77 (3): 759–803. doi :10.1152/physrev.1997.77.3.759. PMID 9234965.
^ Stoorvogel W, Strous GJ, Geuze HJ, Oorschot V, Schwartz AL (май 1991 г.). «Поздние эндосомы происходят от ранних эндосом путем созревания». Cell . 65 (3): 417–427. doi :10.1016/0092-8674(91)90459-C. PMID 1850321. S2CID 31539542.
^ Weissmann G (ноябрь 1965). «Лизосома». The New England Journal of Medicine . 273 (20): 1084–90 contd. doi :10.1056/NEJM196511112732006. PMID 5319614.
^ Gruenberg J, Maxfield FR (август 1995). «Мембранный транспорт в эндоцитозном пути». Current Opinion in Cell Biology . 7 (4): 552–563. doi :10.1016/0955-0674(95)80013-1. PMID 7495576.
^ Luzio JP, Rous BA, Bright NA, Pryor PR, Mullock BM, Piper RC (май 2000 г.). «Слияние лизосом и эндосом и биогенез лизосом». Journal of Cell Science . 113 (9): 1515–1524. doi : 10.1242/jcs.113.9.1515 . PMID 10751143.[ постоянная мертвая ссылка ]
^ Walther TC, Brickner JH, Aguilar PS, Bernales S, Pantoja C, Walter P (февраль 2006 г.). «Эйсосомы отмечают статические сайты эндоцитоза». Nature . 439 (7079): 998–1003. Bibcode :2006Natur.439..998W. doi :10.1038/nature04472. PMID 16496001. S2CID 2838121.
^ Kirchhausen T, Owen D, Harrison SC (май 2014). «Молекулярная структура, функция и динамика мембранного трафика, опосредованного клатрином». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 6 (5): a016725. doi :10.1101/cshperspect.a016725. PMC 3996469. PMID 24789820 .
^ Bitsikas V, Corrêa IR, Nichols BJ (сентябрь 2014 г.). «Клатрин-независимые пути не вносят существенного вклада в эндоцитарный поток». eLife . 3 : e03970. doi : 10.7554/eLife.03970 . PMC 4185422 . PMID 25232658.
^ Benmerah A, Lamaze C (август 2007). «Клатриновые ямки: в чем разница?». Traffic . 8 (8): 970–982. doi :10.1111/j.1600-0854.2007.00585.x. PMID 17547704. S2CID 12685926.
^ Раппопорт Дж. З. (июнь 2008 г.). «Фокус на эндоцитозе, опосредованном клатрином». Биохимический журнал . 412 (3): 415–423. doi : 10.1042/BJ20080474. PMID 18498251. S2CID 24174632.
^ Granseth B, Odermatt B, Royle SJ, Lagnado L (декабрь 2007 г.). «Клатрин-опосредованный эндоцитоз: физиологический механизм извлечения пузырьков в синапсах гиппокампа». Журнал физиологии . 585 (Pt 3): 681–686. doi : 10.1113/jphysiol.2007.139022. PMC 2375507. PMID 17599959.
^ Robinson MS (март 1997). «Оболочки и почкование пузырьков». Trends in Cell Biology . 7 (3): 99–102. doi :10.1016/S0962-8924(96)10048-9. PMID 17708916.
^ Glick BS, Malhotra V (декабрь 1998 г.). «Любопытный статус аппарата Гольджи». Cell . 95 (7): 883–889. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81713-4 . PMID 9875843.
^ Гайдаров И, Сантини Ф, Уоррен РА, Кин Дж. Х. (май 1999). «Пространственный контроль динамики покрытых ямок в живых клетках». Nature Cell Biology . 1 (1): 1–7. doi :10.1038/8971. PMID 10559856. S2CID 12553151.
^ Андерсон РГ, Браун М.С., Голдштейн Дж.Л. (март 1977 г.). «Роль покрытой эндоцитозной везикулы в поглощении связанного с рецептором липопротеина низкой плотности в фибробластах человека». Cell . 10 (3): 351–364. doi :10.1016/0092-8674(77)90022-8. PMID 191195. S2CID 25657719.
^ Pearse BM (апрель 1976 г.). «Клатрин: уникальный белок, связанный с внутриклеточным переносом мембраны покрытыми везикулами». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 73 (4): 1255–1259. Bibcode : 1976PNAS...73.1255P. doi : 10.1073 /pnas.73.4.1255 . PMC 430241. PMID 1063406.
^ Parton RG, Tillu VA, Collins BM (апрель 2018 г.). «Кавеолы». Current Biology . 28 (8): R402–R405. doi : 10.1016/j.cub.2017.11.075 . PMID 29689223. S2CID 235331463.
^ Кумари С., Мг С., Мэр С. (март 2010 г.). «Эндоцитоз отключен: множественные способы проникновения в клетку». Cell Research . 20 (3): 256–75. doi :10.1038/cr.2010.19. PMC 7091825. PMID 20125123 .
^ Sarasij RC, Mayor S, Rao M (май 2007). «Почкование, вызванное хиральностью: механизм эндоцитоза и морфологии кавеол, опосредованный плотами?». Biophysical Journal . 92 (9): 3140–58. Bibcode :2007BpJ....92.3140S. doi :10.1529/biophysj.106.085662. PMC 1852369 . PMID 17237196.
Дальнейшее чтение
Doherty GJ, McMahon HT (2009). «Механизмы эндоцитоза». Annual Review of Biochemistry . 78 : 857–902. doi :10.1146/annurev.biochem.78.081307.110540. PMID 19317650.
Внешние ссылки
Эндоцитоз на biologyreference.com
Эндоцитоз - исследование эндоцитарных механизмов на endocytosis.org
Клатрин-опосредованный эндоцитоз Библиотека изображений и видео ASCB
