Посещений:
КАРТИРОВАНИЕ ЛИПИДОВ

Клетки млекопитающих

Lipid map of the mammalian cell
Gerrit van Meer and Anton I. P. M. de Kroon
J Cell Sci. 2011. - Vol. 124, 5-8.




Постер Lipid map of the mammalian cell  | 

Живые клетки содержат скорее тысячи, чем десятки различных липидов [о классификации и номенклатуре см., Fahy et al. (2009)]. Существует целостный подход – клеточная lipidomics – который касается, во-первых, распределения всех липидов между различными органеллами и затем их локальной организации внутри каждой мембраны. Чтобы понять гомеостаз липидов и их динамику, необходимо изучение локального метаболизма липидов, их транспорта внутри и между различными мембранами и сенсорами и эффекторами, которые управляют этими процессами. Относительно функции, прежде всего, нам необходимо понять физическое поведение сложных смесей липидов и их эффект на локальные структуры, организацию и функцию белков. Наконец, в процессе эфолюции многие липиды и липидные метаболиты приобрели ключевые функции в сигнальных сетях, которые соединяют клетик, путем связывания их с соотв. рецепторами и путем рекрутирования белков на специфические мембраны. Сопровождающий постер описывает липидное содержание в мембанах различных органелл, иллюстрируя локализацию и динамику липидов в разных субклеточных местах и объясняющий chernehe липидов и их биосинтетических путей.

Lipid self-organization and subcellular distribution


Бактерии, archaea и эукариоты обладают общим glycerol в качестве основы для большинства их липидов. Типичные бактериальные фосфолипиды являются phosphatidylserine (PS), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylglycerol (PG) and cardiolipin (CL), которые обнаруживаются также и у эукариот. PG и CL синтезируются в и ограничены митохондриями (see Poster). Митохондрии также обладают (бактериальным) энзимом PS-decarboxylase (PSD), которая синтезирует половину клеточных PE. Phosphatidylcholine (PC) и phosphatidylinositol (PI) являются другими важными эукариотическими глицерофосфолипидами. Благодаря своим двум цепочкам жирных кислот и крупной полярной головке, PC имеет цилиндрическую форму. Поскольку энтропия наивысшая, когда липидные хвосты обращены прочь от воды и молекулы воды обладают максимальной свободой (‘гидрофобный эффект’), поэтому молекулы PC собираются в бислой. Обычно PC обладает одной насцщенной и одной ненасыщенной цепью. Это дает жидкую (‘liquid crystalline’) мембрану со множественными характеристиками биомембран. Однако биомембраны обычно содержат от 5 до 10 основных классов липидов (see Poster), которые необходимы для процессов, таких как слияние и деление пузырьков, сортировка мембран и сигнальная трансдукция. View larger version: In this page In a new window Download as PowerPoint Slide
Большинство PE молекул, обнаруживаемых в биологических мембранах, имеют коническую форму и не образуют липидного бислоя сами по себе. Эта склонность не давать бислоя у PE важна для функционального включения мембранных белков и для процессов, таких как слияние и деление мембран. В этих условиях нейтрализации заряда (дивалентные катионы или high salt), митохондриальные CL также приобретают предпочтение к не бислойной конфигурации. Инактивация CL synthase и митохондриальной PSD у дрожжей дает синтетические летали (Gohil et al., 2005), указывая тем самым на потребность в митохондриальных non-bilayer липидах. Склонность не давать бислоя у PE и CL зависит от длины и уровня ненасыщенности их acyl цепочек. Состав acyl цепочки модулируется с помощью обмена acyl цепочками, который катализируется ремоделирующими энзимами. Новые разработки с масс-спектрометрии позволяют нам отслеживать ремоделирование липидов в живых клетках (de Kroon, 2007) и делают возможным быстры прогресс в области эфирных липидов. Сыфше 50% глицеролипидов содержат сцепленные с эфиром цепочки, но их функции в основном неизвестны (Lessig and Fuchs, 2009).
Помимо базирующихся на глицероле фосфолипидов эукариоты обязательно обладают сфинголипидами и стеролами. Сфинголипиды обычно содержат от длинной до очень длинной цепь насыщенных жирных кислот (C16–C32) с amide сцеплением с sphingoid основанием (Poster). Вариации, такие как C2-hydroxylation и C15-ненасыщенность не столь уж редки. Сфинголипиды обычно нахоятся в фазе solid геля, но разжижаются с помощью стеролов, которые преимущественно взаимодействуют с ними в мембранах. Сфинголипиды и стеролы концентрируются в плазматической мембране и в эндосомах. Они наделяют эти мембраны исключительной силой. PC и PI концентрируются в эндоплазматическом ретикулеме (ER) [see Poster; diameters reflect contribution to total cellular lipid; calculated from Zambrano et al. (Zambrano et al., 1975) and Griffiths et al. (Griffiths et al., 1989)]. Подобно бактериальным мембранам тонкие и гибкие ER участвуют в инсерции мембранных и секреторных белков. В дополнение к различиям между органеллами, два листка (post-)Golgi мембранных бислоев также имеют разные составы липидов (Bretscher, 1972; Verkleij et al., 1973; Simons and van Meer, 1988) (see Poster). Сфинголипиды синтезируются на поверхности просвета из мембран Гольджи и обнаруживаются вне пределов плазматической мембраны, тогда как aminophospholipids PS и PE активно концентрируются на цитозольном листке (see below). Из-за предпочтительного взаимодействия холестерола со сфинголипидами, он должен концентрироваться в не-цитозольном листке мембраны. Однако вместо этого экспериментальные доказательства указывают на очень высокое соотношение между холестеролом и фосфолипидами в цитозольном листке (Mondal et al., 2009). Эти находки трудно интерпретировать в физических терминах.

Lipid transport


Flippases stabilize transbilayer lipid asymmetry


В чистых липидных мембранах полярная головная группа регулярных фосфолипидов не готова проходить через гидрофобную внутренность мембраны. Это также верно как для мембран эритроцитов, для которых половина времени транслокации поперек бислоя для PC, как было установлено, составляет более 10 ч, так и для (post-)Golgi мембран в клетках с ядрами. Напротив, различные фосфолипиды движутся быстро (порядка сек.) через мембрану ER за счет независимого от энергии, обеспечиваемого с помощью пока неизвестных белков (Sanyal and Menon, 2009).
Асимметрия липидов вдоль биомембран динамична (Seigneuret and Devaux, 1984). Каждая (post-)Golgi мембрана содержит P4-ATPases, членов семейства транспортирующих катионы P-type АТФаз. P4-ATPases транслоцируют аминофосфолипиды PS и PE в направлении цитозольного листка (Tang et al., 1996) [see Poster, структура из родственных насосов (cf. Pedersen et al., 2007)], и в целом называются ‘flippases’. Активация так называемых ‘scramblase’ позволяет липидам смешиваться между листками и экспозирует PS на поверхность клеток (Bevers and Williamson, 2010). Это происходит поздно в апоптозе, после чего PS распознаются с помощью PS рецепторов (Wong et al., 2010), а апоптические клетки подвергаются фагоцитозу. Кроме того, экспозирование PS на кровяных клетках и тромбцитах сигнализирут о каоголяции крови. Flippases поддерживают асимметрию липидов, но конечное перемещение липидных масс из одного листка бислоя в другой ведет искривлению мембраны. Это возможно управляет отпочкованием транспортных пузырьков при целенаправленно миграции post-Golgi пузырьков (Leventis and Grinstein, 2010). Липиды без распознаваемых головных групп, такие как холестерол, diacylglycerol (DG), ceramide и жирные кислоты (ffa) в их присоединивших протон форме, способны транслоцироваться спонтанно. Тем не менее экспорт происходящего из липопротеинов холестерола из лизосом нуждается в Niemann-Pick disease type C protein 1 (NPC1) в лизосомной мембране. Вместо этого действующий как flippase, белок NPC1, по-видимому, вставляет производный low-density lipoprotein (LDL) холестерол из просвета в окружающие мембраны через гликокаликс, защитный слой гликанов на внутренней поверхности лизосомных мембран (see Poster) (Kolter and Sandhoff, 2009). Это затем сопрвовождается его спонтанной трансмембранной транслокацией. NPC1 может также транслоцировать находящиеся в просвете sphingoid основания, которые заряжены положительно при pH в лизосомах, через мембрану лизосом (Lloyd-Evans et al., 2008).
Ряд ATP-binding cassette (ABC) транспортеров перемещают липиды прочь из цитозоля (see Poster). Однако они не могут откладывать липиды в листки не-цитозольных мембран, используя механизм reversed flippase (‘floppase’). В большинстве случаев ABC транспортеры выталкивают липидные субстраты на акцепторы вне мембран (van Meer et al., 2006). Glucosylceramide, единственный glycosphingolipid, синтезируемый на цитозольной поверхности Гольджи, нуждается в floppase, чтобы проникнуть в просвет Гольджи (D'Angelo et al., 2007), где он превращается в более высокий гликосфинголипид (see Poster). Мы не наблюдали прямой транслокации через мембрану Гольджи. Вместо этого, glucosylceramide достигал просвета Гольджи посредством ER, с помощью glucosylceramide-binding protein FAPP2 (Halter et al., 2007). Интересно, что родственный galactosylceramide синтезируется в ER (Sprong et al., 1998). Оба гликосфинголипида могут также достигать цитозольной стороны плазматической мембраны, через которую они могут быть транслоцированы (Halter et al., 2007), возможно с помощью ABCA12, предположительного экспортера glucosylceramide в коже (Jiang et al., 2009).

Lipid sorting in vesicular pathways by lateral segregation in domains


Как клетки генерируют и поддерживают различия в липидном составе своих органелл? Липиды быстро диффундируют латерально в плоскости мембраны, обычно 1 µ:m2 в сек. Следовательно, почкование и слияние мембран пузырьков с обычной областью поверхности в 0.02 µm2 (которое занимает порядка сек. ) должно смешивать липиды из органел проходя везикулярными путями. Однако физические различия между glycerolipids и sphingolipids заставляют их сегрегировать на две самостоятельные жидкостные фазы в присутствии 5–50 mol% холестеролаl, это его ранги биологической концнетрации (Marsh, 2009). В (post-)Гольджи мембранах домены с разными составами липидов направляются на отдельные пузырьки переносчики с уникальными белковыми метками, чтобы переправить их, напр., в ER и плазматическую мембрану (see Poster). Это разделение липидов и белков составлят основной механизм сортировки, с помощью которого клетки поддерживают уникальную композицию липидов на своих мембранах (Simons and van Meer, 1988; van Meer et al., 2008). Сложный анализ клеточныйх фракций и lipidome показал, что ретроградные происходящие из Гольджи пузырьки, идентифицируемые с помощью их COPI оболочки, обогащены ER липидами (Brugger et al., 2000). Антероградные пузырьки из trans-Golgi network (TGN) обогащены сфинголипидами и стеролами (Klemm et al., 2009). Когда, во время эволюции, клетки приобрели способность синтезировать сфинголипиды и стеролы, то они также развили свою систему внутренних мембран (Freilich et al., 2008; Desmond and Gribaldo, 2009). Это указывает на то, что базирующаяся на липидах сортировка является фундаментальным свойством эукариот. Большинство молекулярных деталей остается неясным, напр., как мембранные белки концентрируются в данном домене. На плазматической мембране нанодомены sphingolipid–cholesterol с их специфическими белками, названы липидными плотиками, предположительно функционируют как преходящие сигнальные платформы. Их размер и время жизни предмет активных исследований.

Transfer proteins and contact sites guide lipid monomers through the cytosol


Различные семейства цитозольных белков могут соединяться и растворять липидные мономеры. Некоторые из них принадлежат к семействую ядерных рецепторов транскрипционных факторов. Др. переносят (phospho)lipids между мембранами. Ceramide transfer protein (CERT) необходим для транспорта вновь синтезированных ceramide из ER в trans-Golgi, где он метаболизируется в sphingomyelin (SM) (see Poster). Синтез glucosylceramide в Гольджи, как было установлено, не зависит от CERT (Hanada et al., 2003) (cf. Halter et al., 2007). CERT соединяется с белком на ER и с сигнальным липидом phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) на trans-Golgi, возможно в месте контакта между этими органелами. Транспортная активность CERT, а, следовательно, и синтез SM, регулируется с помощью концентрации PI4P (see below) и состояния фосфорилирования CERT (Hanada et al., 2003). CERT-родственные белки, обладая теми же самыми сайтами связыванимя с ER и Гольджи, связывают oxysterols, тогда как другого типа oxysterol-связывающий белок был найден расположенным на интрефейсе между ER–эндосома и Гольджи-эндосома (Raychaudhuri and Prinz, 2010). Места контактов были найдены между ER и митохондриями, Гольджи, плазматической мембраной и капельками липидов. Их молекулярная структура и их функция в транспорте липидов, белков и ионов предмет интенсивных исследований. Идентифицированы первые белковые комплексы в местах контактов ER–митохондрии (de Brito and Scorrano, 2008; Kornmann et al., 2009). Они в самом деле, по-видимому, участвуют в транспорте PS из ER в митохондрии и PE, возникшие в результате декарбоксилирования PS, обратно в ER (see Poster). Находка, что аппарат импорта митохондриального белка влияет на содержание в митохондриях CL (Kutik et al., 2008) д. в дальнешем помочь понять молекуляные механизмы, которые регулируют состав митохондриальных липидов. Взаимоотношение между ER и капельками липидов, особенно роль ER в биогенезе капель и организация энзимов липидного метаболизма на поврехности капель (Poster) ещё не установлены (Robenek et al., 2009).

Lipids as primary and secondary messengers: topology


Во время эволюции клетки начинают использовать специфические липиды в специфических местах с целью передачи сигналов. Во-первых, всё разнообразие структур гликосфинголипидов на клеточной поверхности, сегдня изученое детально с помощью mass spectrometric профилирования (Li et al., 2010), накладывает специфичность на взаимодействия с гликанами и лектинами на др. клетках или с внеклеточным матриксом. Они могут также регулировать активацию insulin и рецепторов эпидерамльного фактора роста (Bremer et al., 1986) и интегринов с помощью модуляции их организации в липидных плотиках (Pike et al., 2005; Regina Todeschini and Hakomori, 2008). Различные гликосфинголипиды являются мишенями токсинов, вирусов, бактерий и паразитов. Во-вторых, соотв. сложная регуляторная система липидных киназ и фосфатаз обеспечивает индивидуальные органеллы уникальными производными PI, которые фосфорилированы по одной, двум или трем позициям кольца инозитола: phosphoinositides (see Poster). Примерами являются PI4P в Гольджи, phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P) в эндосомах и phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate [PI(4,5)P2] в плазматических мембранах (Di Paolo and De Camilli, 2006). Фосфоинозитиды на цитозольной поверхности рекрутируют органелл-специфичные эффекторные белки для достави с помощью пузырьков и также для сигнальной трансдукции. Внутри ядерного матрикса фосфоинозитиды включены в белковые сигнаьные комплексы (Barlow et al., 2009).
Вторичные мессенджеры ceramide и DG, будучи продуцированными с помощью фосфолипаз на плазматической мембране, рекрутируют цитозольные киназы и фосфатазы. Уровни ceramide и DG регулируют апоптоз (Bartke and Hannun, 2009) и Гольджи транспорт, соотв. Phospholipases A2, C и D, которые продуцируют lysophospholipids плюс жирные кислоты, DG и phosphatidic acid (PA), соотв., необходимы для отпочкования и слияния на Гольджи (Asp et al., 2009; Judson and Brown, 2009; Riebeling et al., 2009; San Pietro et al., 2009) и возможно др. органеллах. Ряд более растворимых в воде липидов был найден в связи с соотв. рецепторами; напр., sphingosine-1-phosphate (S1P) и возможно lysophosphatidic acid (LPA) секретируются клетками посредством ABC транспортеров (Takabe et al., 2010) и затем активируют рецепторы S1P и LPA на клеточной поверхности. Они участвуют во многих аспектах клеточной пролиферации и дифференцировки (Fyrst and Saba, 2010; Tigyi, 2010). Arachidonic acid, её производные и oxysterols свободно перемещаются в цитозоле и активируют ядерные рецепторы, которые влияют на транскрипцию. Наконец, клетки также используют системы сенсоров и эффекторов, чтобы регулировать липидный состав своих мембран. Одним из примеров является система sterol regulatory element binding protein (SREBP). Когда концентрация холестерола в ER достигает ниже 5 mol% (Radhakrishnan et al., 2008), то белок, воспринимающий стерол Insig высвобождается из комплекса с SREBP и SREBP-cleavage-activating protein (SCAP). Это делает возможным транспорт SREBP–SCAP в Гольджи. Здесь N-терминальный цитозольный хвост SREBP отрезается, давая транскрипционный фактор, который регулирует экспрессию энзимов, участвующих в метаболизме холестерола (i.e. SREBP-2) и жирных кислот (i.e. SREBP-1) (Brown and Goldstein, 2009) (see Poster). Более того, ER член из семейства SM synthase регулирует концентрацию клеточных церамидов (а, следовательно, и апоптоз) и является кандидатом на роль сенсора церамида (Vacaru et al., 2009). Поскольку oxysterols довольно растворимы в воде, они легко переносятся между мембранами. Следовательно, oxysterol-связывающие белки могут функционировать как сенсоры скорее, чем транспортеры (Raychaudhuri and Prinz, 2010). Роль их как сенсоров в регуляции везикулярного транспорта предположена для PI-transfer белков у дрожжей (Mousley et al., 2007).

Perspectives


One enigma in lipid biology is the dynamic organization of cholesterol. Although it can spontaneously move across and between membranes, many proteins have been found to stimulate its movement. Its high affinity for sphingolipids contrasts with the experimental results regarding its transbilayer organization. It also remains unclear how cells move domains of sphingolipids and cholesterol, which have an increased resistance against bending, into highly curved budding Golgi vesicles. Moreover, biophysicists do not see membrane proteins move into such ‘ordered domains’ in artificial reconstituted membranes, whereas they do in the cell. The molecular mechanism of flippases and their lipid specificity are not yet understood nor is intermembrane lipid transport through membrane contact sites. The biogenesis of lipid droplets and their relationship with the ER constitutes another unresolved issue. Finally, we lack a basic understanding of how and why our cells synthesize the multitude of lipid species that we now observe with our sharpened analytical tools. We don't understand their impact on membrane structure and function, and we probably miss half of the functions that are exerted by lipids in signal transduction and homeostasis because they occur in minor amounts.
Many enzymes are involved in the synthesis, remodeling and conversion of cellular lipids, and their intermembrane and intramembrane transport. It is a challenge to unravel lipid homeostasis at the systems level; stable isotope labeling and mass spectrometry might allow us to do just that. A bigger challenge is to find out how lipid homeostasis ties in with all other protein-based systems in the cell to regulate cell physiology at large. Mapping the lipids is only a start!
Сайт создан в системе uCoz