Посещений:
Эндоцитоз: Транспорт и Сортировка

Роль Липидов

Lipids in endocytic membrane transport and sorting
Jean Gruenberg (jean.gruenberg@biochem.unige.ch)
Current Opinion in Cell Biology 2003, 15:382–388

Conclusions


Different phosphoinositide territories distribute within membranes at sequential stages of the endocytic pathway, from the plasma membrane to late endosomes (Figure 1). A downregulated receptor seems to pass — like a baton in relay racing — from one territory to the next through direct or indirect interactions with proteins or proteins complexes that bind each phosphoinositide specifically. In addition, endosomes also contain not only morphologically visible, and functionally defined, regions, but also different membrane domains, each with a characteristic lipid composition. Amongst these, LBPA-membranes, and perhaps other membrane domains, play a role in traffic, presumably because they preferentially incorporate some proteins and lipids, or interact selectively with soluble factors on the lumenal or cytoplasmic face of the bilayer. Hence, protein sorting and membrane transport seem to be controlled, at least in part, by the mosaic organisation of endosomal membranes — an organisation likely to also play a role in other cell-related processes, including development and infection [58,72,73]. A future challenge will be to determine, in addition to the precise functions of individual players, what mechanisms orchestrate the crosstalk between membranes domains and lipid-protein complexes at each stage of the pathway.
Липиды создают физическую поддержку мембранам органелл, действуя как барьер для водорастворимых молекул и как растворитель для гидрофобных доменов мембранных белков. Внося вклад во внутренне присущие свойства мембран, такие как толщина, асимметричность и изогнутость, липиды м. потенциально регулировать движение и распределение белков. Разные, но не обязательно взаимоисключающие, роли приписываются липидам. Многие цитозольные белки взаимодействуют с мембранами путём связывания не только с белками, но и липидами, часто посредством множественных белок-липид и межбелковых взаимодействий. Накапливаются также доказательства, что некоторые коротко- и долго-живущие липиды ограничены в своем распространении в плоскости бислоя, в результате образуются временные или более стабильные микродомены.

Clathrin-coated vesicles and membrane curvature


Рецепторы и др. белки, липиды и растворы подвергаются эндоцитозу с помощью покрытых клатрином ямок и пузырьков и затем появляются в ранних эндосомах [1], но существуют и др. маршруты их поступления, включая фагоцитоз, макропинроцитоз и др. менее охарактеризованные пути [2,3]. Образование покрытых клатрином ямок нуждается в сети взаимодействий, мtжду клатрином, адапторным комплексом AP2 и ассоциированными белками [4]. Этот процесс, регулируемый в пространстве и во времени, зависит также от PI(4,5)P2 (phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate) actin и регуляторов актина [6] - механизма, который м. обеспечивать образование некоего подобия COP-покрытых пузырьков на мембранах Гольджи [7]. В дополнение возможной роли транслокации через два слоя фосфолипидов [8], белок-липидные взаимодействия лежат в основе процесса, который генерирует изгибы мембраны во время образования ямок покрытых клатрином. 4 белка, которые взаимодействуют др. с др., генерируют прогиб бислоя и придают трубчатую форму искусственным мембранам, включают GTPase dynamin, участвующую в отшнуровке пузырьков, endophilin и amphiphysin [9]. Amphiphysin 2, вместе с caveolin-3 и возможно др. факторами, м. фактически вызывать деформации мембран во время биогенеза T-tubule в мышцах [10]. Кроме того, epsin, который связывает клатрин, Eps15 и AP2 (clathrin-associated adaptor complex 2), также генерируют прогиб и образуют трубочки из бислоя - преимущественно путём инсерции спирали во внутренний листок бислоя - a активность зависит от PI(4,5)P2 [11]. Т.к. epsin также облегчает полимеризацию клатрина, то он м.б. необходим для таргетинга AP2, предполагается, что инвагинация мембраны и помещение в неё груза идут рука об руку.

Endosome membrane organisation


Оказавшись в ранних эндосомах белки м. подвергаться рециклингу и отправляться на клеточную поверхность посредством быстрого маршрута с помощью recycling эндосом, но прямой путь также связывает эти эндосомы с trans-Golgi network (TGN) [12].

Lipid territories in the endocytic pathway. After internalisation from the plasma membrane (PM) via the clathrin pathway, proteins and lipids first appear in early endosomes (EE). Then, these molecules are either recycled to the cell surface, at least in part via recycling endosomes (RE), or are collected within forming ECVs/MVBs. ECVs/MVBs are then translocated on microtubules towards late endosomes (LE), with which they eventually fuse. Molecules that are destined to be degraded are packaged within lysosomes (Lys). The outline shows the distribution of endocytic lipid territories discussed in the text. Whereas PI(4,5)P2 (green) is thought to be predominantly found at the PM and plays a role in the formation of clathrin-coated pits, PI3P (red) and PI(3,5)P2 (black) are believed to be abundant in endosomes. In EEs, PI3P is presumably generated from phosphatidylinositol by a Vps34p complex, and accumulates within ECV/MVB internal membranes. Then, the lipid is either degraded, presumably by myotubularin, or converted into PI(3,5)P2 by PIKfyve—the precise distribution of PI(3,5)P2 is not known. LEs contain large amounts of LBPA (blue), which is generated via an unknown biosynthetic pathway. This lipid is abundant within LE internal membranes, which appear to be distinct from the remaining PI3Pcontaining vesicles. In addition to LBPA and PI3P domains, LE internal membranes might also contain other membrane domains (yellow), including, perhaps, cholesterol-enriched membranes and rafts.

Ультраструктурные исследования показывают, что ранние эндосомы являются высоко плейоморфными и содержат цистерновую, тубулярную и везикулярную области. В то время как тубулы соответствуют элементам recycling эндосом, то большие везикулярные области содержат молекулы, предназначенные поздним эндосомам и лизосомам (cм. Рис. 1). Эти пузырьки накапливают инвагинации мембран и свободные пузырьки или трубочки в своём просвете, что соответствует образованию endosomal carrier vesicles/multivesicular bodies (ECVs/MVBs). После отделения от ранних эндосом ECVs/MVBs транслоцируются в направлении поздних эндосом, с которыми они в конечном счёте сливаются. Подобно ранним эндосомам поздние эндосомы также обнаруживают сложную организацию, они содержат мультивезикулярные- или мультиламеллярные-области, а также высоко динамичные tubulo-cisternal элементы.
Из поздних эндосом некоторые белки оказываются упакованными в лизосомах, тогда как др. рециклируют обратно в TGN. Др. маршруты также соединяют поздние эндоцитотические компартменты с клеточной поверхностью, по крайней мере, в специализированных клетках [13,14]. Кроме того, эндосомы и лизосомы соединены с аутофагическим путём [15]. Становится ясным, что эта мозаика морфологических и функциональных доменов отражает различия в распределении белковых комплексов, ассоциированных со специфическими липидами и белок-липидными доменами внутри мембран.

Early endosome dynamics


Нет сомнения, что phosphoinositides играют существенную роль в мембранном трафике с помощью избирательного связывания хорошо известных белковых доменов [16]. Накапливаются доказательства, что phosphatidylinositol 3-phosphate (PI3P) и его белки-партнёры играют, по крайней мере, 2 критические роли в ранних эндосомах - путём регулирования динамики компартмента, а также доставки белка в направлении поздних эндоцитотических стадий; PI3P постоянно присутствует в большом количестве в ранних эндосомах и во внутренних мембранах ECV/MVB по сравнению с поздними эндосомами [17].
Малая GTPase Rab5 регулирует динамику мембран ранних эндосом, включая пришвартовку/слияние и взаимодействия с цитоскелетом посредством взаимодействий со множественными эффекторами [18]. Активная, GTP-связанная форма Rab5, как полагают, строит эффекторный домен на мембране путём процесса само-активации и привлечения как PI3P-связывающих белков, содержащих мотив FYVE, так и PI3-киназ [18] - включая у млекопитающих гомолог единственно дрожжевой PI3-киназы Vps34p. Кроме того, Rab5 и Rab4 последовательно используются на пути рециклинга и имеют общих эффекторов, которые м. координировать функции соответствующих Rab доменов этого пути [19]. Rab5 эффекторы взаимодействуют также избирательно с белками, контролирующими мембранный перенос и белковый сортинг. Т.к. FYVE-доменовый белок EEA1 связывает и syntaxin-6 и syntaxin-13 [18], то комплекс Rabaptin-5-Rabex-5 взаимодействует с GGAs (Golgi-associated γ-adaptin ear homology, Arf связывающими белками) [20], а Arf-зависимые клатриновые адапторы вовлекаются в выбор груза из TGN. Такое перекрестное общение строго подтверждает, что Rab5 домены интегрированы с функциями переноса и сортировки ранними эндосомами, подобно тому, как др., Rab домены действуют на др. мембраны.
Др. мембранные домены скорее всего играют роль в организации мембран ранних эндосом. Предполагается, что ранние эндосомы содержат annexin II- и cholesterol-богатые области и что они участвуют в динамике этого компартмента [12] (см. Update). Фактически, холестерол сам по себе, по-видимому, участвует в регуляции доставки белков и липидов с помощью эндосом [21]. Кроме того, эндосомы м. также содержать cholesterol- и glycosphingolipid-обогащённые микродомены или липидные плотики, как те, что обнаруживаются в плазматической мембране и участвуют в сортинге, транспорте, передаче сигналов и инфекции [22]. В частности, предполагается эндоцитозированные glycosylphosphatidylinositol-закрепленные белки, которые преимущественно ассоциированы с плотиками, подвергаются сортировке в ранних эндосомах и что их судьба зависит от их времени пребывания в эндосомальных плотиках [23]. Установлено, что образование кластеров kinesin в плотиках м. запускать транспорт. В частности UNC104 kinesin обнаруживаются связанным с PI(4,5)P2 посредством своего домена pleckstrin homology (PH), a образование кластеров Unc104 в PI(4,5)P2- содержащих плотиках способствует транспорту [24].

Transport from early to late endosomes


Сегодня хорошо известно, что ubiquitination участвует в сортировке белков, в том числе и в покрытых клатрином пузырьках [25]. Ubiquitination, вместе с ESCRT (endosomal sorting complex required for transport) комплексами I - III, также контролирует сортировку в MVB из субнабора белков, предназначенных для деградации у дрожжей [26]. Сходный механизм, скорее всего, оперирует и в клетках млекопитающих в отношении некоторых, но не всех [27], подавляемых рецепторов. Напр., Tsg101, the гомолог ESCRT I Vps23p, связывает ubiquitin [28], a его истощение нарушает трафик epidermal growth factor receptor (EGFR) [28]. Более того, ubiquitination рецепторов EGFR для его отсортировки в MVB [29]. Интересно, что Tsg101 участвует также в отпочковывании ретровирусов Ebola и HIV, по существу отражая топологически эквивалентный процесс инвагинации внутри multivesicular эндосом [26]. В дополнение FYVE-доменовый белок Hrs - гомолог дрожжевого Vps27p, который м. действовать выше дрожжевого ESCRT I комплекса - содержит взаимодействующий с ubiquitin мотив [30], и как полагают, отсортировывает ubiquitinated белки в покрытые клатрином микродомены ранних эндосом [31]. Эти домены, по-видимому, соответствуют вновь открытым эндосомным двуслойным клатриновым оболочкам, которые чувствительны к ингибированию PI3-киназой [32]. Hrs необходим также для деградации активных EGFR и Torso тирозин-киназных рецепторов у Drosophila и м. регулировать биогенез и процессы инвагинации ECV/MVB [33] (см. Update). Т.к. помимо своей роли в динамике ранних эндосом PI3P участвует также, по-видимому, в ubiquitin-зависимой селекции белков, предназначенных для деградации и вообще в биогенезе самих транспортных промежуточных образований. До какой степени передача сигналов PI3P и комплексы ESCRT являются частью стержня транспортной кухни (machinery) или контролируют сортировку белков, неизвестно (см. Update). Неясно также, м. ли белки не предназначенные для деградации или включенные в ECV/MVB-ограничивающие мембраны, использовать компоненты той же самой machinery.

Sorting nexins


Др. phosphoinositide-свяхзывающий домен, PHOX или PX, выявлен в p40phox и p47phox, при этом PX домен p40phox связывает избирательно PI3P. Этот домен является общим для многих белков, включая членов семейства sorting nexin (SNX), и некоторые PX белки, включая некоторых членов семейства SNX, регулируют эндоцитотические функции или взаимодействуют с рецепторами [34]. Некоторые SNX белки (Snx1-6 и 13) обнаруживаются в ранних или recycling эндосомах [34,35], a PX домен SNX1 необходим для такой локализации [36,37]. SNX1 - гомолог Vps5p дрожжей, компонент retromer комплекса, необходимый для endosome-TGN рециклинга - взаимодействует с Hrs и регулирует деградацию EGFR [12,16]. Интересно, что мыши, лишенные SNX1 или SNX2 жизнеспособны, но эмбрионы, лишенные обоих белков. нет, это указывает на то, что белки перекрывают др. др. и что их функция жизненно необходима [38]. Фенотип Snx1-/-/Snx2-/- эмбрионов наблюдает таковой эмбрионов, лишенных др. retromer гомолога, Hbeta58/Vps26p. Это указывает на отсутствие очевидного эндоцитотического дефекта, но апикальные компартменты в висцеральной энтодерме желточного мешка изменены, это приводит авт. к заключению, что SNX1/SNX2 действует у млекопитающих на retromer пути. SNX9 взаимодействует с AP2 ear доменом [39], и с ACK2, активированным Cdc42-ассоциированной киназой 2 - взаимодействие, которое м. также регулировать деградацию EGFR [40]. SNX9 взаимодействует также с Drosophila ACKs (a Cdc42-ассоциированной тирозин киназой) и актиновым регулятором, белком Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASP), в регуляции ведения аксонов [41]. Необходимы дальнейшие исследования PX белков - и их возможных взаимоотношений с FYVE-доменовыми белками - в регуляции сигнальной трансдукции, сортировки белков и мембранного транспорта.
Phosphoinositide kinases and phosphatases


PI3P преимущественно генерируется ранними эндосомами, по крайней мере частично, с помощью Vps34p, т.к. эта киназа является Rab5 эффектором [18]. Vps34p, обнаружен, однако, в двух белковых комплексах, участвующих в аутофагии и ретроградном транспорте из эндосом в Гольджи [42,43]. Т.к. Vps34p участвует в транспорте от Гольджи к вакуолям у дрожжей, то д. существовать дополнительные комплексы и каждый м. генерировать специфический пул PI3P в специфических микродоменах [43]. Кроме того, дрожжевой FYVE белок Fab1p - PI3P 5-киназа, генерирующая PI(3,5)P2 - существенен для морфологии вакуолей и м. регулировать сортировку в просвет вакуолей [44]. Гомолог Fab1p у млекопитающих PIKfyve, который связывает PI3P, обнаруживается в поздних эндосомах PI3P- и FYVE-зависимым образом [45], a его способность генерировать PI(3,5)P2 участвует в поддержании морфологии эндосом [46]. Точная роль PIKfyve и PI(3,5)P2, а также взаимоотношения с PI3P и с PI3P-связывающими белками, неизвестны. Достигнут определенный прогресс в изучении роли 3-phosphatases, включая и болезни человека [47]. Myotubularin (MTM1), который мутантен при X-сцепленной myotubular миопатии, дефосфорилирует эндосомный пул PI3P, в противоположность myotubularin-related MTMR2, который мутантен при type 4B Charcot-Marie-Tooth disease [48]. MTMR3, который содержит FYVE домен, подобно MTMR4, но, по-видимому, не локализуется в эндосомах, обладает активностью 3-phosphatase в отношении как PI3P, так и PI(3,5)P2 и м. играть роль в аутофагии [49].

Late endosomes: lipid domains and proteins


Мембраны поздних эндосом подвергаются существенному ремоделированию в клетках животных (Рис. 1). Внутренние мембраны их мультивезикулярных элементов накапливают большие количества плохо деградирующих phospholipid lysobisphosphatidic acid/bis(monoacylglycerol) phosphate (LBPA) [12,50]. Оборот LBPA м. зависеть от недавно открытой phospholipase A2 [51]. Этот липид м. облегчать процесс инвагинации мембран, т.к. он инвертирует форму конуса и м. синтезироваться in situ. Внутренние мембраны мультивезикулярных компартментов также содержат cholesterol [52], и богатые холестеролом детергент-резистентные мембраны (rafts)были выделены из поздних эндосом [23]. Cholesterol- и LBPA-содержащие внутренние мембраны м. соответствовать разным доменам, т.к. поздние эндосомы, по-видимому, содержат более одного типа внутренних мембран [17,53]. До какой степени биогенез и динамика внутренних мембран поздних эндосом регулируются с помощью того же механизма, что оперирует и во время образования ECV/MVB, неизвестно. В дополнение к липидам белки также обнаруживают ограниченное распределение внутри поздних эндосом. Гликопротеины Lamp1 и Lamp2, и MLN64, гомолог митохондриального steroidogenic acute regulatory protein (StAR), обнаружены только в мембране, которая заключает в себя мультивиезикуляный компартмент, обозначаемой как лимитирующая мембрана, но не внутри просвета пузырьков и в инвагинациях [12]. Напротив, белки, предназначенные деградировать, часто накапливаются внутри ECV/MVB внутренних мембран - и, по-видимому, остаются в просвете вплоть до окончания деградации. Т.к. LBPA и др. негативные фосфолипиды м. облегчать деградацию гликолипидов [54], и так как LBPA сам по себе плохо деградируется, то одной из функций LBPA-мембран м.б. презентация липидов и белков для гидролитической кухни (machinery). Но внутренние мембраны поздних эндосом содержат также белки, которые не предназначены на деградацию [12], включая tetraspanins [55]. Они также обнаруживаются на клеточной поверхности, где они м. формировать микродомены, обогащенные inMHC class II в антиген-презентирующих клетках [56]. В этих клетках, MHC class II молекулы также обильны и внутри внутренних мембран поздних эндосом и лизосом. Из этой внутрипросветной локализации MHC class II транспортируются на клеточную поверхность посредством канальцев [57], которые м. формироваться ценой внутренних мембран [55]. Как этот процесс связан с высвобождением внутренних мембран в среду (exosomes) после прямого слияния мультивезикулярных эндосом с плазматической мембраной, неизвестно [55].

Late endosomes: trafficking and dynamics


Транспорт белка и холестерола посредством внутренних мембран поздних эндосом ингибируется при взаимодействии с LBPA-мембранами при использовании эндоцитозированных анти-LBPA антител - при этом воспроизводится нарушение хранения холестерола Niemann-Pick type C (NPC) [12,50,58]. Напротив, накопление холестерола в поздних эндосомах ингибирует трафик белков, включая и в NPC клетках. Более того, подвижность поздних эндосом нарушается после ингибирования функции LBPA или накопления холестерола, путём взаимодействия с циклом мембрана-цитозоль малой GTPase Rab7 [59]. Сходным образом, подвижность ингибируется в NPC клетках [59,60,61]. Эти наблюдения подчёркивают сущестование механизма, с помощью которого липидный состав мембраны м. контролировать динамику органелл посредством цикла мембрана-цитозоль ключевого регулятора. Поздние эндосомы формируют динамичные сети, [59] которые содержат самостоятельные морфологически различимые регионы [12] и мембранные домены избирательно обогащенные Rab7 или Rab9 [62] - двумя GTPases, которые регулируют трафик поздних эндосом и рециклинг из поздних эндосом в TGN, соотв. Это вместе с находками, что разные типы мембран м.б. изолированы из поздних эндосом [23,53], подтверждает мнение, что поздние эндосомы формируются из мозаичных регионов и мембранных доменов, которые отличаются и структурно и функционально [1]. В согласии с этим и разные субкомпартменты, участвующие в загрузке липидов на CD1D, который является одной из изоформ CD1 белков, которые связывают и презентируют липидные антигены Т клеткам [63]. LBPA мембраны могут иметь функцию контрольного пункта (turnpike) в этой сети, т.к. они, по-видимому, участвуют и в транспорте и деградации. Дефекты транспорта при NPC и вообще при др. нарушениях хранения липидов м.б. результатом коллапса этой мозаичной архитектуры, что ведет к перемешиванию доменов и в конечном итоге к ингибированию транспорта.

Cholesterol transport and storage


Как холестерол экспортируется из поздних эндосом неясно. Нарушение хранения холестерола при NPC обусловлено мутациями в NPC1, permease, которая облегчает транспорт жирных кислот через двойной слой или менее часто в гене NPC2, секретируемого холестерол связывающего белка [64]. Экспорт м. также зависеть от MLN64 [65]. Кроме того, избыточная экспрессия Rab7 или Rab9частично корректирует NPC фенотип [66]. Пока неясно, как эти GTPases действуют; возможно посредством разных путей, т.к. они имеют разные функции и локализуются в разных доменах. Более того, избыточная экспрессия Rab7 ингибирует подвижность, вызывая паралич поздних эндосом в околоцентриолярной области [59], преимущественно посредством Rab7 эффектора, Rab-interacting lysosomal protein (RILP) [67,68]. Интересно, что Rab9 эффектор TIP47 является гомологом adipophilins липидных капель [69], местом хранения холестероловых эфиров и триглицеридов. Присутствует ли TIP47 в липидных капельках, пока окончательно не установлено. Но др. исследования также выявляют неожиданные взаимоотношения между липидными капельками и поздними эндосомами. Хотя кавеолины обычно обнаруживаются в кавеолах плазматической мембраны, мутантные caveolin-2b и укороченный caveolin-3 присутствуют в липидных капельках [70]. Соотв., эти мутации вызывают NPC-подобные скопления холестерола в поздних эндосомах [71]. Следовательно, возможно, что внутриклеточный транспорт свободного холестерола и накопление эфиров холестерола связаны функционально посредством ещё не установленного механизма.



Update


В согласии с замечанием, что annexin II и cholesterol-богатые области участвуют в динамике мембран поздних эндосом, подтверждено, что annexin II взаимодействует физически с холестеролом и что такие annexin-II-cholesterol платформы регулируют начало пути деградации путём контроля биогенеза ECV/MVB в клетках животных [74]. Подавление Hrs с помощью small interfering RNA показало, что Hrs играет также роль в процессе инвагинации мембран, который сопровождает образование ECV/MVB [75], это согласуется с предыдущими находками [33]. Т.к. передача сигналов и Hrs и PI3P подавляет сортировку рецепторов, то они м.б. необязательны для массового транспорта из ранних в поздние эндосомы (A Petiot, J Faureґ , H Stenmark and J Gruenberg, unpublished data), в общем подтверждая, что процесс инвагинации мембран м.б. неотделим от формирования пузырьков.
Сайт создан в системе uCoz