Лекция 5.
Система эндосом
Термин «эндоцитоз» обобщает процессы интернализации растворенных веществ и жидкости, макромолекул, компонентов плазмалеммы и всевозможных частиц путем формирования углубления плазмалеммы и отшнуровки мембранного пузырька. В клетках многоклеточных организмов эндоцитированный материал включает широкий спектр лиганд-рецепторных комплексов, жидкостей, липидов, мембранных белков, компонентов внеклеточного матрикса, «обломки» разрушенных клеток, бактерии, вирусы и многое другое. Посредством «обработки», сортировки, рециркуляции, активации, блокирования и деструкции захваченных веществ и рецепторов ЭНДОСОМЫ «отвечают» за регуляцию различных процессов в клетке.
Эндоцтоз вовлечен в передачу сигналов, рост клетки, регуляцию клеточного метаболизма, защитные реакции. Процессы эндоцитоза присутствуют практически во всех аспектах жизнедеятельности клеток. Эндоцитоз – интернализация различных лигандов, внеклеточной жидкости и фрагментов мембран посредством мембранных пузырьков. В «типичной» клетке млекопитающих 50-180% площади плазматической мембраны обновляется за час путем эндоцитоза. Макрофаг интернализует около 30% своего объема за час, при этом около 2/3 объема возвращается во внеклеточное пространство в течение 15-20 минут.
Первой «станцией» этого транспортного потока при эндоцитозе является ранняя эндосома, где происходит сортировка интернализованных лигандов, - на деградацию и рециркуляцию. Ранние эндосомы входят в систему эндосом, включающую также поздние и рециркулирующие (recycling) эндосомы. Разные эндосомы отличаются маркерами и морфологией и, конечно, имеют разные функции.
Ранние эндосомы – мембранные структуры округлой формы (до 1 мкм в диаметре) с трубчатыми выростами (около 50 нм в диаметре). Имеют очень изменчивую форму. Маркеры - белки RAB5 и RAB4. Выявляют ранние эндосомы с помощью трансферина и его рецептора, а также антител к белку ранних эндосом (ЕЕА1). рН в просвете ранних эндосом около 6.
Главная функция ранних эндосом – сортировка интернализованных молекул. Процесс сортировки происходит в течение 3 – 5 минут после интернализации. Многие интернализованные лиганды направляются на деградацию, тогда как их рецепторы возвращаются в плазмалемму для дальнейшего использования. Эндосомы занимают важное место в реализации полученных клеткой молекулярных сигналов, от точности их работы зависит развитие правильного эффекта.
Морфологические различия разных частей эндосомы имеют важное функциональное значение. Так, белки, предназначенные для рециркуляции, обычно накапливаются в тубулярных элементах эндосом, тогда как мультивезикулярная часть («тело» эндосомы) обычно вовлечена в сортировку молекул для деградации. Пузырьки, формирующиеся на мембранах разных компартментов ранней эндосомы по-разному закисляются: рН в просвете мультивезикулярной части падает до 6,2-5,5, а рН рециркулирующей части возрастает до 6,5.
Среди ранних эндосом выделяют те из них, которые связаны рециркуляцией молекул (рециркулирующие эндосомы), и те, которые превращаются в поздние эндосомы (путь деградации). Рециркуляция имеет разные варианты: молекулы либо возвращаются в ту часть плазмалеммы, откуда были эндоцитированы, либо направляются в иную часть плазмалеммы (базо-латеральная сортировка). Т.е., выделяют отдельно рециркулирующие эндосомы, которые преимущественно состоят из трубчатых структур. Интересно, что и рециркулирующие эндосомы, и поздние, формируются из одной и той же ранней эндосомы.
Несколько кислый рН ранних эндосом (6,3 – 6,8) обеспечивает диссоциацию лиганд-рецепторных комплексов в просвете ранней эндосомы и их сортировку. Тубулярная часть имеет значительную площадь мембран, и здесь накапливаются возвращаемые молекулы, тогда как растворимые компоненты накапливаются в везикулярной части.
Для направления «на деградацию» на молекуле должен быть сигнал. Связывание с убиквитином той или иногрй аминокислоты часто является таким сигналом. Соответственно, сформировавшийся участок может связаться только с определенным участком в везикулярной части эндосомы, где и идет накопление молекул для деградации.
Молекулы для рециркуляции накапливаются в тубулярной части эндосомы или в рециркулирующей эндосоме.
В ранней эндосоме есть также домены, обеспечивающие ретроградный транспорт мембран в транс-сеть АГ.
Таким образом, ранние эндосомы играют очень важную роль в протекании эндоцитоза и связанных с ним процессов, что предполагает высокую точность их работы.
В ранних эндосомах «раздеваются» вирусы, попавшие в клетку путем микроэндоцитоза. Считается, что за счет кислого рН в эндосоме происходит слияние оболочки вируса и мембраны эндосом, при этом вирусный геном оказывается в цитоплазме.
Рециркулирующие эндосомы.
Данная разновидность эндосом представлена тубулярными структурами диаметром около 60 нм, которые контактируют между собой и «общаются» с ранними эндосомами и аппаратом Гольджи посредством пузырькового транспорта.
Маркер - Rabaptin-11
Рециркулирующие эндосомы обеспечивают сортировку как эндоцитированного, так и синтезированного в клетке материала, что особенно важно для поляризованных клеток (эпителий), в которых очень велика разница между белковым составом апикальной и базолатеральной плазмалеммы. Полагают, что из аппарата Гольджи синтезированные компоненты плазмалеммы направляются в рециркулирующие эндосомы, где могут накапливаться, затем – направляться в базо-латрельную мембрану. Рециркулирующие эндосомы таким образом могут выступать в качестве «резерва» плазмалеммы.
Мультивезикулярные тельца
Мультивезикулярные тельца (МВТ) – «поздние эндосомы», содержат многочисленные везикулы (пузырьки) размером 40-100 нм, которые образуются путем инвагинации мембраны эндосомы. Пузырьки называют “intralumеnal vesicles” («пузырьки в просвете»).
МВТ делятся на две разновидности, в зависимости от их основных функций – «деградирующие МВТ», связанные с расщеплением белков цитоплазмы иэндоцитированного материала, и «секретирующие МВТ», связанные с выделением пузырьков из просвета МВТ во внеклеточное пространство.
Формирование внутренних пузырьков МВТ происходит в противоположном эндоцитозу направлении – пузырек не «входит» в цитоплазму, а «выходит» из нее, т.е., мембрана выпячивается (деформируется) в другом направлении. Соответственно, деформирующие мембрану белки – другие. Механизмы формирования внутренних пузырьков не установлены, существует несколько моделей, описывающих формирование пузырьков. Однако, уже ясно, что в клетке работает несколько путей формирования пузырьков, которые обеспечивают их различный состав.
Недавно был идентифицирован молекулярный комплекс в мембране ранних эндосом - «Сортировочный комплекс эндосом, необходимый для транспорта» - ESCRT (endosomal sorting complex required for transport) - способствует финальным стадиям разделения мембран при формировании мультивезикулярных телец, расхождении делящихся клеток, почковании вирусов. Эти такие различные процессы требуют топологически схожих событий – деформации и разделения мембран для формирования пузырька и его выделения из клетки. Топология этого процесса «противоположна» эндоцитозу, когда пузырек поступает внутрь клетки.
Состоит комплекс из 4 молекулярных комплексов (0–III), которые взаимодействуют между собой и с молекулами цитоплазмы, в том числе - с убиквитином. Последний «отвечает» за сортировку молекул по пути деградации.
Комплекс ESCRT играет важную роль в жизни клетки в связи с его участием в процессе деградации клеточных молекул, захваченных из цитоплазмы при формировании пузырька, – МВТ либо сливаются с существующей лизосомой, либо трансформируются в лизосому. Это определяет важное место МВТ в системе деградации собственных белков и липидов клетки, а не только эндоцитированного материала. Связывание убиквитина с лизином - сигнал, что данная молекул предназначена для деградации. В свою очередь, убиквитин распознается компонентами ESCRT, их несколько, один из них взаимодействует с клатрином.
Комплекс ESCRT, таким образом, обеспечивает формирование внутренних пузырьков МВТ, которые определяют специализацию МВТ в двух направлениях: на выделение пузырьков из клетки («секреторные» МВТ) и в направлении деструкции захваченных из цитоплазмы молекул.
Путь деструкции («разрушающие» МВТ). Один вариант, простой и быстрый – слияние МВТ с уже существующей лизосомой, обладающей полным набором гидролаз в полости. Второй вариант – постепенное «созревание» МВТ тельца и формирование на его основе новой лизосомы.
Ранняя эндосома постепенно превращается в позднюю эндосому (мультивезикулярное тельце), которая не имеет трубчатых выростов. Превращение в позднюю эндосому занимает некоторое время и в его процессе происходит закисление содержимого эндосомы за счет работы протонного насоса V-ATPазы, а также утрата RAB5 и приобретение RAB7 и RAB9, которые вместе с рецептором маннозо-6-фосфата являются маркерами поздних эндосом.
В поздней эндосоме величина рН снижается до 5. «Опушенные» пузырьки из аппарата Гольджи приносят в позднюю эндосому гидролазы, и она становится органоидом, способным разрушать молекулы белков и липидов. В соответствии с существующими представлениями, поздняя эндосома может называться лизосомой, однако, выделяют именно стадию поздней эндосомы, чтобы обозначить процесс наполнения органоида гидролазами.
Поздние эндосомы принимают кислые гидролазы, и возвращают рецептор маннозо-6-фосфата в аппарат Гольджи. Как только последние рецепторы возвращены, поздняя эндосома становится лизосомой. Т.е., лизосома – структура, прекратившая прием новых порций гидролаз. Маркеры поздних эндосом:
1. Rabaptin-7 и Rabaptin-9
2. Lysobisphosphatidic acid (LBPA)
3. MPR+ Рецептор маннозо-6-фосфата
Таким образом, ранние эндосомы, превращаясь в поздние, а затем – в лизосомы, обеспечивают сначала сортировку лигандов, затем - деградацию тех лигандов, которые для этого предназначены.
Лизосомы – клеточные структуры, ограниченные мембраной, функцией которых является разрушение находящихся внутри них молекул и частиц, в том числе - эндоцитированных. Главным отличием лизосом является присутствие в них кислых гидролаз (около 40 видов), способных расщеплять белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Мембрана лизосом устойчива к действию «своих» ферментов благодаря высокому уровню гликозилирования белков с внутренней поверхности мембраны лизосом.
Маркеры лизосом:
- LAMPs+ (lysosomal associated membrane proteins)
- acid hydrolases (кислые гидролазы)
- MPR negative (отсутствует рецептор маннозо-6-фосфата)
- NPC1 (in normal cells)
Таким образом, в клетке существует единая лизосомально-эндосомальная система с четко разграниченными функциями и маркерами. Ранняя эндосома, основное звено системы, постепенно превращается в лизосому. Полагают, что от ранней эндосомы отделяется пузырек с белками, подлежащими деградации, и уже этот пузырек принимает гидролазы и превращается в позднюю эндосому. Механизмы, определяющие «судьбу» МВТ, не установлены.
Ретроградный транспорт из эндосом в АГ обеспечивает возврат мембран и рецептора маннозо-6-фосфата в аппарат Гольджи. Это – очень важный процесс, необходимый для нормальной жизни клетки. В мембране МВТ есть специальные молекулярные структуры, обеспечивающие формирование пузырьков, направляющихся обратно в АГ, и здесь «работает» клатрин.