Loss of caveolae, vascular dysfunction, and pulmonary defects in caveolin-1 gene-disrupted mice.
Drab, M. et al.Science 293, 2449-2452 (2001)
CAVEOLAE — FROM ULTRASTRUCTURE TO MOLECULAR MECHANISMS
Robert G. Parton Nature Reviews Molecular Cell Biology4, 162 -167 (2003)
Almost 50 years after the first sighting of small pits that covered the surface of mammalian cells, investigators are now getting to grips with the detailed workings of these enigmatic structures that we now know as caveolae (Рис.1.) | The fat-cell plasma membrane.
Кавеолы очень многочисленные, но загадочные признаки клеток млекопитающих. Они образуют удивительно стабильные мембранные домены на плазматической мембране, но могут также функционироваить и как переносчики в экзоцитическом и эндоцитическом пути. Кажущиеся разнообразными функции кавеол, включая восприятие механических воздействий и регуляцию липидов, могут быть связаны с их способностью реагироварнть на изменения плазматической мембраны, свойство которое зависит от их специализированной композиции и биофизических свойств.
(Box.3.) | Features and properties of the caveosome
(Box.4.) | Approaches to functionally characterize caveolae
All cells are enclosed by a membrane bilayer which forms a barrier to protect the cell from the outside world. However, the cell surface is not a static impermeable barrier but is a dynamic mosaic of distinct domains with unique properties and functions. Our work is aimed at understanding the organisation and dynamics of these surface domains at the molecular level both in health and in disease. Recent work has focussed on the role of surface domains called caveolae. These ‘small caves’ have been implicated in many fundamental aspects of cell function. For example, our work has elucidated a role for caveolae in entry of pathogenic viruses into cells, in muscle development, and in intracellular signalling leading to the development of cancer. We are using a combination of molecular biology, biochemistry, and morphology (immunofluorescence and electron microscopy) to gain insights into the multiple roles of caveolae. Our second major interest concerns how proteins and lipids pass from the cell surface to lysosomes in a process termed endocytosis. Lysosomes represent the final destination of many substances taken up by cells from the surrounding environment and represents the cell stomach where endocytosed substances are degraded down to components which can be used by the cell.
Кавеолы являются специализированными субдоменами плазменных мембран, в которых концентрируются ключевые сигнальные белки.
Функцию кавеол - колбообразных инвагинаций плазматической мембраны - Kurzchalia и др. изучали с помощью нокаутных по caveolin-1 (cav-1-/-) мышей.
Caveolin-1 является основным белком кавеол; он достаточен для образования кавеол в лимфоцитах, которые обычно не содержат кавеол. Kurzchalia и др. подтвердили, что caveolin-1 существенен для образования этих органелл, т.к. cav-1-/- полностью не имели кавеол.
Кавеолы часто рассматриваются как специализированный тип липидных платформ (raft) - латеральных агрегатов холестерола и гликосфинголипидов, в которых концентрируются определенные белки. Однако препараты липидных платформ от cav-1-/- мышей не обнаруживали серьезных дефектов в составе, которые указывают на то, что caveolin-1 и/или кавеолы не нужны для организации этих деменов мембраны.
Авт. установили, что трансцитоз - который, как полагают, является механизмом, с помощью которого альбумин проходит через эндотелий - по-видимому, не зависит от кавеол, т.к. концентрация альбумина в спинномозговой жидкости оставалась неизменнаой у cav-1-/- мышей. Каквеолы также, по-видимому, не нужны для транспорта холестерола, т.к. состав липопротеинов крови и содержание холестерола в липопротеинах высокой плотности также не изменено у нокаутных мышей.
Однако, caveolin-1 и/или кавеолы функционируют в передаче сигналов через во время различных физиологических процессов. Изолированные аортальные кольца от cav-1-/- мышей не создавали steady contractile tone, а их реляксация после стимуляции ацетилхолином значительно увеличивалась. Оба процесса, как известно, обеспечиваются nitric oxide (NO), и на самом деле базовое высвобождение NO было на 31% выше, а уровни cGMP были в три раза выше у cav-1-/- мышей. Итак, caveolin-1 и/или кавеолы являются, по-видимому, негативными регуляторами NO-опосредованной реляксации сосудов. Потеря caveolin-1 и/или caveolae кроме того вызывает заметное снижение реакции возоконстрикторов, таких как angiotensin II, endothelin-1 или форболовый эфир на сосудистые гладкомышечные клетки. По крайней мере, миогенные тоны этих клеток были редуцированы.
Мыши cav-1-/- кроме того обнаруживают неконтролируемую гиперпролиферацию ангиобластных клеток и фиброз в альвеолярных перегородках легких, которые используют caveolin-1 и/или кавеолы в локальном контроле клеточной пролиферации.
Несмотря на выраженную дисфункцию сосудистой системы и патоморфологические дефекты в легочных альвеолярных перегородках, cav-1-/- мыши были жизнеспособны и имели лишь довольно минорные физические отклонения - напр., они не м. плавать столь долго как их нормальные сибсы. Авт. полагают, что липидные платформы, которые, по-видимому, нормальные у этих мышей, м. выполнять многие фукнции, которые приписывают кавеолам.
Активаторы РКС существенно нарушают морфологию кавеол. Кавеолин, оболочечный белок, декорирует внутреннюю поверхность мембраны кавеол, он представлен мультигенным семейством с 3 иммунологически отличающимися изоформами, которые служат маркерными белками для этих органел. Кавеолин-1 наиболее обильно экспрессируется адипоцитами, эндотелиальными клетками и фибробластами; кавеолин-2 обнаруживает сходный паттерн экспрессии; кавеолин-3 мышце-специфическая изоформа. Кавеолы наиболее выражены в высоко дифференцированных типах клеток, в которых они участвуют в транспорте макромолекул, таких как альбумин, низкой плотности липопротеины из крови в тканевые пространства (трансцитоз, transcytosis), в высвобождении малых молекул, таких как фолаты из внеклеточных пространств в цитоплазму (потоцитоз, potocytosis) и в передаче сигналов с помощью рецепторов для факторов роста и гормонов.
Кавеолы могут действовать как структурно и биохимически отдельные компартменты плазменных мембран, которые локализуют и регулируют функцию ряда трансмембранных сигнальных событий. В кавеолах идентифицированы многочисленные компоненты сигнального каскада, находящиеся там постоянно или после лиганд-индуцированой активации. Docking белок кавеолин секвестрирует некоторые цитоплазматически ориентированные сигнальные молекулы в их неактивной форме, обеспечивая эффективное и быстрое купирование (coupling)агонистом-оккупированных рецептров. Кавеолин непосредственно взаимодействет с αсубъединицами G белка, с Ras, Src, NOS, EGF рецепторами. Все взаимодействия картируются в цитозольной примыкающей к мембране области кавеолина ("caveolin-scaffolding domain").
Чувствительные к форболовому эфиру изоформы Protein kinase С (РКС) обнаруживаются в очень небольших количествах во фракциях кавеол кардиомиоцитов. Phrbol 12-myristate 13-acetate (РМА) ( но не 4αРМА, который не активирует РКС) рекрутирует в этот компартмент чувствительную к кальцию РКСa, и новые изоформы РКСd и РКСe. Эндотелин также индуцирует селективную транслокацию РКСa и РКСe. Множественные компоненты внеклеточного сигналами-регулируемого протеин-киназного каскада (ERK), включая A-Raf,c-Raf-1, МАРКК и ERK выявлены в кавеолоах отдыхающих кардиомиоцитов. Хотя РМА не влияет на уровень этих белков, однако транслокация чувствительной к форболу РКС в кавеолы ассоциирует с активацией локального ERK каскада, а также с фосфорилированием субстратного белка в ~36 кДа. Наконец, в кавеолах находится минорная фракция рецепторного белка для активрованной РКС, которая вместе с кавеолином-3 обеспечивает механизм таргеттинга изоформ РКС в кавеолы кардиомиоцитов. Следовательно, кавеолы являются местом встречи для активированных изоформ РКС с их мишенями, нижестоящими субстратами.
FURTHER READING
Simons, K. & Toomre, D. Lipid rafts and signal transduction. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 1, 31-39 (2001)
