Плазматические мембраны клеток содержат комбинации гликосфинголипидов , холестериновых и белковых рецепторов , организованных в гликолипопротеиновые липидные микродомены , называемые липидными рафтами . [1] [2] [3] Их существование в клеточных мембранах остается спорным. Действительно, Кервин и Овердуин предполагают, что липидные рафты представляют собой неправильно истолкованные белковые островки, которые, как они предполагают, формируются посредством протеолипидного кода. [4] Тем не менее, было высказано предположение, что они представляют собой специализированные мембранные микродомены, которые разделяют клеточные процессы, служа организующими центрами для сборки сигнальных молекул , обеспечивая более тесное взаимодействие белковых рецепторов и их эффекторов, чтобы способствовать кинетически выгодным взаимодействиям, необходимым для передачи сигнала. трансдукция. [5] Липидные рафты влияют на текучесть мембран и транспорт мембранных белков , тем самым регулируя нейротрансмиссию и транспорт рецепторов. [3] [6] Липидные рафты более упорядочены и плотно упакованы, чем окружающий бислой , но свободно плавают внутри бислоя мембраны. [7] Хотя липидные плоты чаще встречаются в клеточной мембране , они также наблюдаются и в других частях клетки, таких как аппарат Гольджи и лизосомы .
Одним из ключевых различий между липидными рафтами и плазматическими мембранами, из которых они получены, является липидный состав. Исследования показали, что липидные рафты содержат в 3–5 раз больше холестерина, чем окружающий бислой. [8] Кроме того, липидные рафты обогащены сфинголипидами , такими как сфингомиелин , содержание которого обычно повышено на 50% по сравнению с плазматической мембраной. Чтобы компенсировать повышенные уровни сфинголипидов, уровни фосфатидилхолина снижаются, что приводит к одинаковым уровням холинсодержащих липидов между рафтами и окружающей плазматической мембраной. Холестерин взаимодействует преимущественно, хотя и не исключительно, со сфинголипидами из-за их строения и насыщенности углеводородных цепей. Хотя не все фосфолипиды внутри рафта полностью насыщены, гидрофобные цепи липидов, содержащихся в рафтах, более насыщены и плотно упакованы, чем окружающий бислой. [6] Холестерин — это динамический «клей», который скрепляет плот. [3] Из-за жесткой природы стероловой группы холестерин преимущественно распределяется в липидные рафты, где ацильные цепи липидов имеют тенденцию быть более жесткими и находиться в менее жидком состоянии. [6] Одним из важных свойств мембранных липидов является их амфипатический характер. Амфипатические липиды имеют полярную гидрофильную головную группу и неполярную гидрофобную область. [9] На рисунке справа показана перевернутая конусообразная форма сфингомиелина и конусообразная форма холестерина в зависимости от площади пространства, занимаемой гидрофобными и гидрофильными областями. Холестерин может упаковываться между липидами в плотики, служа молекулярным спейсером и заполняя любые пустоты между связанными сфинголипидами. [9]
Ритвельд и Саймонс связали липидные плоты в модельных мембранах с несмешиваемостью упорядоченных ( фаза Lo ) и неупорядоченных (фаза Ld или Lα) жидких фаз. [10] Причина этой несмешиваемости неясна, но считается, что несмешиваемость минимизирует свободную энергию между двумя фазами. Исследования показали, что существует разница в толщине липидных рафтов и окружающей мембраны, что приводит к гидрофобному несоответствию на границе между двумя фазами. Было показано, что это несоответствие высот фаз увеличивает натяжение троса, что может привести к образованию более крупных и круглых платформ плотов, чтобы минимизировать энергетические затраты на поддержание плотов как отдельной фазы. Другие спонтанные события, такие как искривление мембраны и слияние небольших плотов в более крупные, также могут минимизировать натяжение лески. [6]
Согласно одному из ранних определений липидных рафтов, липидные рафты отличаются от остальной части плазматической мембраны. На самом деле исследователи [11] [ кто? ] выдвинули гипотезу, что липидные рафты могут быть извлечены из плазматической мембраны. При экстракции будет использоваться устойчивость липидных рафтов к неионным детергентам , таким как Triton X-100 или Brij-98, при низких температурах (например, 4 ° C). Когда такой детергент добавляется к клеткам, жидкая мембрана растворяется, в то время как липидные плоты могут оставаться неповрежденными и могут быть экстрагированы. [ нужна цитата ]
Из-за своего состава и устойчивости к детергентам липидные рафты также называют нерастворимыми в детергентах гликолипид-обогащенными комплексами (GEM) или DIG [12] или мембранами, устойчивыми к детергентам (DRM). Однако обоснованность методологии устойчивости мембран к детергентам недавно была поставлена под сомнение из-за неоднозначности в отношении извлеченных липидов и белков, а также из-за наблюдения, что они также могут вызывать образование твердых областей там, где их раньше не было. [13]
Опосредование презентации субстрата. Липидные рафты локализуют пальмитоилированные белки вдали от нарушенной области плазматической мембраны. [14] Нарушение опосредованной пальмитатом локализации затем позволяет подвергнуть белок воздействию его партнера по связыванию или субстрата в неупорядоченной области, механизм активации, называемый презентацией субстрата . Например, белок часто пальмитоилируется и связывает фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (PIP2). PIP2 является полиненасыщенным и не находится в липидных рафтах. Когда уровни PIP2 в плазматической мембране увеличиваются, белок перемещается к кластерам PIP2, где он может быть активирован непосредственно PIP2 (или другой молекулой, которая связывается с PIP2). [15] [16]
Вероятно, существуют и другие функции.
До 1982 года было широко признано, что фосфолипиды и мембранные белки были случайным образом распределены в клеточных мембранах в соответствии с моделью жидкостной мозаики Сингера-Николсона , опубликованной в 1972 году. [6] [17] Однако мембранные микродомены были постулированы в 1970-х годах с использованием биофизических подходы Стира и Сакмана [18] и Клаузнера и Карновского. [19] Эти микродомены были объяснены физическими свойствами и организацией липидных смесей Stier & Sackmann и Israelachvili et al. [20] В 1974 году влияние температуры на поведение мембран привело к предположению о «кластерах липидов» в мембранах, а к 1975 году данные показали, что эти кластеры могут быть «квазикристаллическими» областями внутри более свободно диспергированной жидкокристаллической липидной молекулы. . В 1978 году рентгеновские дифракционные исследования привели к дальнейшему развитию идеи «кластера», определяющей микродомены как «липиды в более упорядоченном состоянии». Карновский и его коллеги формализовали концепцию липидных доменов в мембранах в 1982 году. Исследования Карновского показали неоднородность в распаде времени жизни 1,6-дифенил-1,3,5-гексатриена, что указывало на наличие нескольких фаз в липидном окружении. мембраны. [6] Один тип микродоменов состоит из холестерина и сфинголипидов . Они образуются в результате выделения этих липидов в отдельную фазу, что продемонстрировали Билтонен и Томпсон и их коллеги. [21] Было показано, что эти микродомены («плоты») существуют также в клеточных мембранах. [22] Позже Кай Саймонс из Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) в Германии и Геррит ван Меер из Университета Утрехта, Нидерланды, переориентировали интерес на эти мембранные микродомены, обогащенные липидами и холестерином, гликолипидами и сфинголипидами , присутствующими в клетках. мембраны. [23] Впоследствии они назвали эти микродомены липидными «плотами». Первоначальная концепция рафтов использовалась как объяснение транспорта холестерина из транс-сети Гольджи в плазматическую мембрану. Идея была более формально развита в 1997 году Саймонсом и Иконеном. [24]На Keystone Symposium of Lipid Rafts and Cell Function 2006 года липидные рафты были определены как «маленькие (10-200 нм), гетерогенные, высокодинамичные, обогащенные стеролами и сфинголипидами домены, которые разделяют клеточные процессы. Иногда небольшие рафты можно стабилизировать для образования более крупные платформы посредством белок-белковых взаимодействий». В последние годы исследования липидных рафтов пытались решить многие ключевые вопросы, вызывающие споры в этой области, включая размер и срок службы рафтов.
Другие вопросы, на которые еще предстоит ответить, включают:
Было предложено два типа липидных рафтов: плоские липидные рафты (также называемые некавеолярными или гликолипидными рафтами) и кавеолы. Плоские рафты определяются как непрерывные с плоскостью плазматической мембраны (не инвагинированные) и из-за отсутствия у них отличительных морфологических особенностей. Кавеолы , с другой стороны, представляют собой колбообразные впячивания плазматической мембраны, которые содержат белки кавеолина и являются наиболее легко наблюдаемыми структурами в липидных рафтах. Кавеолины широко экспрессируются в головном мозге, микрососудах нервной системы, эндотелиальных клетках, астроцитах, олигодендроцитах, шванновских клетках, ганглиях дорсальных корешков и нейронах гиппокампа. Плоские рафты содержат белки флотиллин и обнаруживаются в нейронах, где кавеолы отсутствуют. Оба типа имеют схожий липидный состав (обогащены холестерином и сфинголипидами). Флотиллин и кавеолины могут рекрутировать сигнальные молекулы в липидные рафты, играя таким образом важную роль в передаче сигналов нейромедиаторов. Было высказано предположение, что эти микродомены пространственно организуют сигнальные молекулы, способствуя кинетически выгодным взаимодействиям, необходимым для передачи сигнала. И наоборот, эти микродомены могут также разделять сигнальные молекулы, ингибируя взаимодействия и ослабляя сигнальные реакции. [25]
Специфичность и точность передачи сигналов необходимы для того, чтобы клетки могли эффективно реагировать на изменения в окружающей среде. Частично это достигается за счет дифференциальной локализации белков, участвующих в сигнальных путях. В плазматической мембране один из подходов компартментализации использует липидные рафты. [26]
Одним из разумных способов рассмотрения липидных рафтов является то, что небольшие рафты могут образовывать концентрирующие платформы после активации связывания лигандов для отдельных рецепторов. [27] Исследователи обнаружили, что липидные рафты участвуют во многих процессах передачи сигналов, таких как передача сигналов иммуноглобулина E, передача сигналов рецепторов антигена Т-клеток, передача сигналов рецепторов антигенов В-клеток, передача сигналов рецепторов EGF, передача сигналов рецепторов инсулина и так далее. Чтобы проиллюстрировать эти принципы, ниже описаны подробные примеры сигнальных путей, в которых участвуют липидные рафты.
Эпидермальный фактор роста (EGF) связывается с рецептором EGF , также известным как HER-1 или ErbB1, инициируя трансмембранную передачу сигналов. Предполагается, что липидные рафты играют в этом процессе двустороннюю роль. Некоторые аспекты липидных рафтов ингибируют функцию рецептора ЭФР:
В то же время липидные рафты, по-видимому, необходимы для трансмембранной передачи сигналов или усиливают ее:
Передача сигналов иммуноглобулина E (IgE) является первым убедительно продемонстрированным липидным рафтом, включающим процесс передачи сигналов. [39] [40] [41] Доказательства этого факта включают снижение растворимости Fc-эпсилон-рецепторов (FcεR) в Тритоне X-100 от стационарного состояния до состояния сшивки, [39] образование пятен, достаточно больших, чтобы их можно было визуализировать с помощью флуоресцентной микроскопии. из ганглиозидов и GPI-заякоренных белков, [42] [43] отмену передачи сигналов IgE за счет истощения поверхностного холестерина с помощью метил-β-циклодекстрина [44] и так далее. Этот сигнальный путь можно описать следующим образом: IgE сначала связывается с Fc-эпсилон-рецепторами (FcεR), находящимися в плазматической мембране тучных клеток и базофилов, через свой Fc-сегмент. FcεR представляет собой тетрамер, состоящий из одной α-, одной β- и двух γ-цепей. [41] Он мономерен и связывает одну молекулу IgE. α-цепь связывает IgE, а остальные три цепи содержат мотивы активации иммунных рецепторов на основе тирозина (ITAM). Затем олигомерные антигены связываются со связанным с рецептором IgE, сшивая два или более из этих рецепторов. Затем это сшивание привлекает дважды ацилированную нерецепторную Src-подобную тирозинкиназу Lyn для фосфорилирования ITAM. После этого тирозинкиназы семейства Syk связывают эти фосфотирозиновые остатки ITAM, чтобы инициировать сигнальный каскад. [39] [40] Syk, в свою очередь, может активировать другие белки, такие как LAT. Посредством сшивания LAT может вовлекать в рафт другие белки и дополнительно усиливать сигнал. [45]
Рецептор Т-клеточного антигена (TCR) представляет собой молекулу, обнаруженную на поверхности Т-лимфоцитов (Т-клеток). Он состоит из αβ-гетеродимеров, комплекса CD3 (γδε) и ξ-гомодимера. Субъединицы α- и β- содержат внеклеточные сайты связывания пептидов, которые представлены белками класса I и класса II главного комплекса гистосовместимости ( MHC ) на поверхности антигенпрезентирующих клеток (APC). Субъединицы CD3 и ξ- содержат цитоплазматические мотивы ITAM. Во время процесса передачи сигнала связывание MHC с TCR объединяет два или более рецепторов. Это перекрестное сшивание, аналогично передаче сигналов IgE, затем привлекает дважды ацилированные нерецепторные Src-подобные тирозинкиназы для фосфорилирования тирозиновых остатков ITAM. Помимо рекрутирования Lyn, передача сигналов TCR также рекрутирует Fyn. [26] [46] После этой процедуры ZAP-70 (который также отличается передачей сигналов IgE) связывается с фосфорилированными ITAM, что приводит к его собственной активации и активации LAT. Активация LAT является источником усиления сигнала. Другое различие между передачей сигналов IgE и антигенного рецептора Т-клеток заключается в том, что активация Lck с помощью TCR может привести к более серьезному кластеризации рафтов [47] [48], а значит, к большему усилению сигнала. Один из возможных механизмов подавления этой передачи сигналов включает связывание цитозольной киназы Csk с рафт-ассоциированным белком CBP. Затем Csk может подавлять киназы семейства Src посредством фосфорилирования. [49]
В-клеточный антигенный рецептор (BCR) представляет собой комплекс мембраносвязанной молекулы Ig (mIg) и дисульфидно-связанного гетеродимера Igα-Igβ из двух полипептидов. [50] Каждый из Igα и Igβ содержит аминокислотный мотив, называемый ITAM, последовательность которого — D/ExxYxxL/Ix7YxxL/I.
Процесс передачи сигналов антигенного рецептора В-клеток аналогичен передаче сигналов иммуноглобулина Е и передаче сигналов антигенных рецепторов Т-клеток. Принято считать, что помимо BCR, липидные рафты играют важную роль во многих событиях на клеточной поверхности, участвующих в активации В-клеток. Их функции включают передачу сигналов с помощью BCR, модуляцию этой передачи сигналов с помощью корецепторов, передачу сигналов с помощью CD40, эндоцитоз антигена, связанного с BCR, и его маршрутизацию в поздние эндосомы для облегчения загрузки пептидов, полученных из антигена, на молекулы MHC класса II, маршрутизацию этих Комплексы пептид/MHC-II на поверхности клетки и их участие в презентации антигена Т-клеткам. [50]
Вирусы, как облигатные внутриклеточные паразиты, для проникновения в клетки должны включать специфическое взаимодействие вируса и клеточного рецептора, экспрессируемого на плазматической мембране. Накопленные данные подтверждают, что вирусы проникают в клетки путем проникновения в специфические микродомены мембран, включая липидные рафты.
Наиболее изученными моделями безоболочечного проникновения вируса, связанного с липидными рафтами, являются обезьяний вирус 40 (SV40, Papovaviridae) и эховирус типа 1 (EV1, Picornaviridae). [51] [52]
SV40 использует два разных рецептора для связывания с поверхностью клетки: ганглиозид GM1, расположенный в липидных рафтах, и молекулу класса I главной гистосовместимости (MHC). [51] [52] Связывание SV40 с молекулами MHC класса I запускает кластеризацию и перераспределение рецепторов. SV40 может рекрутировать больше кавеол из цитоплазмы или даже новые кавеолы, образующиеся в месте проникновения. [52] Каскад вирус-индуцированных сигнальных событий, запускаемых прикреплением, приводит к опосредованному кавеолами эндоцитозу примерно через 20 минут. [52] В некоторых типах клеток вирус может проникать в кавеосомы непосредственно из липидных рафтов в непокрытых везикулах. [52] [53]
EV1 использует α2β1-интегрин в качестве клеточного рецептора. [51] Множественные гетеродимеры интегрина могут связываться с соседними участками капсида вируса. [52] Подобно SV40, прикрепление и связывание с клетками запускает кластеризацию и перемещение молекул интегрина из липидных рафтов в кавеолоподобные структуры. [52] Истощение холестерина в липидных рафтах ингибирует инфекцию EV1. [51]
Существуют также вирусы, которые используют эндоцитоз, опосредованный некавеолярными рафтами, например эховирус 11 (EV11, пикорнавирус). Однако детальные механизмы еще нуждаются в дальнейшем описании. [52]
Вирусы гриппа связываются с сиаловой кислотой клеточного рецептора, которая связывается с гликоконъюгатом на поверхности клетки, инициируя эндоцитоз. После транспортировки в поздние эндосомы конформационные изменения НА, зависящие от низкого уровня pH, вызывают слияние, и вирусные рибонуклеопротеиновые комплексы (РНП) высвобождаются за счет притока протонов белков М2 вирусного ионного канала, что требует связывания с холестерином. Вирусу леса Семлики (SFV) и вирусу Синдбис (SIN) необходимы холестерин и сфинголипиды в липидных рафтах целевой мембраны для опосредованного гликопротеинами оболочки слияния и проникновения в мембрану. [54] Т-лимфотропный вирус человека типа I (HTLV-1) проникает в клетки через транспортер глюкозы 1 (GLUT-1). Вирус Эбола и вирус Марбург используют рецептор фолиевой кислоты-α (FRα), который представляет собой белок, закрепленный на GPI, в качестве клеточного рецептора. Вирус гепатита B распознает человеческий рецептор комплемента типа 2 (CR2, или известный как CD21). Вирус герпеса человека 6 (HHV-6) связывается с CD46 человека на поверхности клетки-хозяина. Все эти вирусные рецепторы расположены в липидных рафтах или будут перемещены в липидные рафты после заражения.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), как вирус животных, передающийся половым путем, должен сначала проникнуть через барьер эпителиальных клеток, которые не экспрессируют CD4 и хемокиновые рецепторы, чтобы установить продуктивную инфекцию. Альтернативным рецептором гликопротеина оболочки ВИЧ-1 на эпителиальных клетках является гликосфинголипидгалактозилцерамид (GalCer), который накапливается в липидном рафте. [55] [56]
Было показано , что вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, проникает посредством эндоцитоза с использованием липидных рафтов. [57] Вариант омикрон преимущественно проникает посредством эндоцитоза, предположительно через липидные рафты. [58] Гидроксихлорохин блокирует проникновение SARS-CoV-2, блокируя ассоциацию ACE2 с эндоцитическими липидами. [59]
Одна из основных причин разногласий по поводу липидных рафтов связана с проблемами изучения липидных рафтов в живых клетках, которые не находятся в термодинамическом равновесии. [25] Липидные рафты представляют собой небольшие микродомены размером от 10 до 200 нм. [6] Из-за того, что их размер ниже классического дифракционного предела светового микроскопа, липидные рафты трудно визуализировать напрямую. В настоящее время изучаются синтетические мембраны; однако использование этих мембран имеет много недостатков. Во-первых, синтетические мембраны имеют меньшую концентрацию белков по сравнению с биомембранами. Кроме того, трудно моделировать мембранно-цитоскелетные взаимодействия, присутствующие в биомембранах. Другие подводные камни включают отсутствие естественной асимметрии и невозможность изучения мембран в неравновесных условиях. [6] [60] Несмотря на это, флуоресцентная микроскопия широко используется в этой области. Например, широко используются флуорофоры, конъюгированные с B-субъединицей холерного токсина, которая связывается с составляющим рафт ганглиозидом GM1. Также используются липофильные мембранные красители, которые либо распределяются между плотами и основной мембраной, либо меняют свои флуоресцентные свойства в ответ на фазу мембраны. Лаурдан – один из ярких примеров такого красителя. Рафты также можно пометить с помощью генетической экспрессии флуоресцентных слитых белков, таких как Lck-GFP.
Манипулирование холестерином — один из наиболее широко используемых методов исследования липидных рафтов. Секвестрация (с использованием филипина, нистатина или амфотерицина), истощение и удаление (с использованием метил-В-циклодекстрина) и ингибирование синтеза холестерина (с использованием ингибиторов ГМГ-КоА-редуктазы) — это способы манипулирования холестерином в исследованиях липидных рафтов. Эти исследования позволяют наблюдать влияние на передачу сигналов нейромедиаторов при снижении уровня холестерина. [25]
Шарма и его коллеги использовали комбинацию изображений с высоким разрешением и математического моделирования, чтобы представить, что рафтовые белки организованы в нанокластеры высокой плотности с радиусами более 5–20 нм. Используя измерения резонансной передачи энергии флуоресценции между одними и теми же зондами (гомо-FRET или анизотропия флуоресценции), Шарма и его коллеги сообщили, что часть (20–40%) белков, закрепленных GPI, организована в кластеры высокой плотности радиусом 4–5 нм. , каждая из которых состоит из нескольких молекул и различных белков, закрепленных GPI. [61] Для решения проблем малого размера и динамической природы отслеживание одиночных частиц и молекул с использованием охлаждаемых чувствительных ПЗС-камер и микроскопии полного внутреннего отражения (TIRF) становится все более популярным. Это позволяет извлекать информацию о диффузии частиц в мембране, а также выявлять мембранные загоны, барьеры и места удержания. [62]
Также используются другие оптические методы: корреляционная и кросс-корреляционная спектроскопия флуоресценции (FCS/FCCS) может использоваться для получения информации о подвижности флуорофоров в мембране, резонансная передача энергии флуоресценции (FRET) может определять, когда флуорофоры находятся в непосредственной близости, и оптический пинцет. методы могут дать информацию о вязкости мембраны. [25]
Для обнаружения топологических и механических свойств синтетических липидов [63] или нативных клеточных мембран [64] , выделенных снятие крыши с ячейки .
Также используются интерферометрия с двойной поляризацией и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), хотя доминирующим методом остается флуоресцентная микроскопия. Есть надежда, что в будущем микроскопия сверхвысокого разрешения, такая как метод истощения стимулированного излучения (STED) [65] или различные формы микроскопии со структурированным освещением, смогут преодолеть проблемы, возникающие из-за дифракционного предела.
Другие методы, используемые при анализе липидных рафтов, включают ELISA, вестерн-блоттинг и FACS. [66] [67] [1]
Роль рафтов в клеточной передаче сигналов, транспортировке и структуре еще предстоит определить, несмотря на множество экспериментов с использованием нескольких различных методов, и само их существование является спорным, несмотря на все вышесказанное. [68]
Аргументы против существования липидных рафтов включают следующее:
Первое опровержение этой точки зрения предполагает, что Lo-фаза рафтов упакована более плотно из-за межмолекулярных водородных связей , обнаруженных между сфинголипидами и холестерином, которые не наблюдаются где-либо еще. [69]
Второй аргумент ставит под сомнение эффективность экспериментального плана при разрушении липидных рафтов. Пайк и Миллер обсуждают потенциальные опасности использования истощения холестерина для определения функции липидных рафтов. [70] Они отметили, что большинство исследователей использовали острые методы истощения холестерина, которые разрушают рафты, но также разрушают другой липид, известный как PI(4,5)P 2 . PI(4,5)P 2 играет большую роль в регуляции цитоскелета клетки , [71] и нарушение PI(4,5)P 2 вызывает многие из тех же результатов, что и этот тип истощения холестерина, включая латеральную диффузию белков. в мембране. [72] Поскольку эти методы разрушают как плоты, так и PI(4,5)P 2 , Kwik et al. пришли к выводу, что потеря определенной клеточной функции после истощения холестерина не обязательно может быть связана исключительно с разрушением липидных рафтов, поскольку могут быть затронуты и другие процессы, независимые от рафтов. Наконец, хотя считается, что липидные рафты каким-то образом связаны с белками, Эдидин утверждает, что белки притягивают липиды в рафте за счет взаимодействия белков с ацильными цепями липидов, а не наоборот. [73]
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )