Посещений:
Мембранные Липиды

Везикулярный Транспорт

Membrane lipids and vesicular traffic
Gerrit van Meer and Hein Sprong
Current Opinion in Cell Biology 2004, 16:373–378

Lipids were long considered to be passive passengers of carrier vesicles with the single role of sealing the transport container. We now know that specific phospholipids are required for efficient fusion, while others facilitate budding and fission. Moreover, the various polyphosphoinositides assist in the recruitment from the cytosol of proteins of the transport machinery. Finally, the segregation of membrane lipids into different fluid phases appears to serve as a ‘lipid raft’ mechanism for protein sorting at various stages of the secretory and endocytic pathways. The current challenge is to understand how proteins control the metabolism and subcellular localization, and thereby the activity, of the various lipids.



Klemm, R. W. et al.
Segregation of sphingolipids and sterols during formation of secretory vesicles at the trans-Golgi network. J. Cell Biol. 11 May 2009 (doi: 10.1083/jcb.200901145)
Article
Внутриклеточный трафик гарантирует правильную доставку белков и липидов в разные части клеток. Однако процесс, с помощью которого липиды сортируются, обогащают плазматическую мембрану, остается неясным. Klemm et al. предоставили новую информацию об этом процессе, показав, что у почкующихся дрожжей два компонента плазматической мембраны ergosterol (эквивалент cholesterol в клетках млекопитающих) и sphingolipid сортируются в trans-Golgi network (TGN) и транспортируются в специфических секреторных пузырьках на поверхность клетки.
Авт. осуществили экспрессию green fluorescent protein (GFP)-нагруженной формы белка трансмембранных платформ, FusMid, для иммуноочистки TGN-производных секреторных пузырьков из живых дрожжевых клеток. Сходным образом полученный TGN/endosomal белок, Gap1–GFP, был использоан для очистки донорского компартмента. ЭМ и western blot анализ показали, что эти два субклеточные компартменты морфологически отличны и имеют разный елковый состав, а сравнитальная количественная lipidomics далее выявила их дифференциальные мембранные составляющие. Авт. установили, что ergosterol и sphingolipid mannosyl-di-IPC (M(IP)2C) встречаются в больших количествах в FusMid пузырьках по сравнению с TGN/endosomes, это указывает на то, что липиды отсортировываются в TGN. Обогащение этими двумя липидами ассоциированных с платформами видов липидов указывает на то, что механизм образования кластеров платформ (raft) может участвовать в формировании секреторных пузырьков.
Затем авт. исследовали функциональные следствия обогащения raft-ассоциированными липидами в переносе между TGN и сереторными пузырьками. Используя флюоресцентный C-Laurdan спектрофотометрический анализ, авт. наблюдали, что FusMid везикулярная мембрана более упорядочена, чем таковая TGN/endosomes, это указывает на то, что модуляция архитектуры мембран происхдит во время процесса направленного переноса и далее помогает вовлечь образование кластеров raft в TGN сортин. Итак, авт. полагают, что обогащение с липидными платформами ассоциированного ergosterol и sphingolipid может способствовать слиянию платформ и последующим структурным изменениям в везикулярном бислое, приводя к возможной изирательной сегрегации белков и липидов во время образования FusMid пузырьков на TGN.
Благодаря технологическим успехам в очистке происходящих из TGN секреторных пузырьков и количественным измерениям липидного состава, Klemm et al. показали специфическое обогащение плазматической мембраны липидами ergosterol и sphingolipid за счет TGN/vesicle трафика белка липидных платформ на поверхность клетки. Это первое доказательство, что сортировка липидов плазматических мембран происходит в TGN. Более того, обогащение raft-ассоциированными липидами указывает на вовлечение образования кластеров raft в TGN сортинг и образование пузырьков. Эти находки закладывают основу для дальнейшего понимания этой сложной системы мембранного трафика.

FURTHER READING

van Meer, G. et al.
Membrane lipids: where they are and how they behave. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 9, 112–124 (2008)
Article

Ikonen, E.
Cellular cholesterol trafficking and compartmentalization. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 9, 125–138 (2008)
Article
Непрерывный поток пузырьков носителей взаимосвязывает все органеллы клеток эукариот от митохондрий до peroxisomes. Мембранные пузырьки отпочковываются от мембраны, перемещаются по цитозолю и сливаются с разными мембранами. Они тем самым переносят мембранные компоненты и содержимое просвета от одной органеллы к следующей или секретируют содержимое во внеклеточную среду (Рис. 1). Матрикс клеточных мембран является классическим жидким липидным бислоем и т.к. везикулярный транспорт является двунаправленным и быстрым, на что указывает оборот мембранных компонентов, то одним из важнейших вопросов является, как клетки поддерживают качественные особенности мембран своих органелл. Клеточные мембраны содержат сотни видов липидов, которые отличаются их полярными головными группами и жировыми хвостами.

Overview of the relevant properties of lipids


Lipid polymorphism and transmembrane asymmetry


Мембранные липиды обладают уникальными геометрическими очертаниями, определяемые из химической структурой [1,2]. Повсеместно распространеный фосфолипид phosphatidylcholine, который составляет 50% клеточных липидов, является цилиндрическим: cross-sectional область головных групп соответствует cross-sectional области, занимаемой жирными acyl хвостами. Напротив, второй из наиболее часто встречающихся липидов, phosphatidylethanolamine, является коническим, т.к. является эндосомной lysobisphosphatidic кислотой [3]. Монослой конусо-образных липидов принимает негативный изгиб, т.к. концы головной группы более плотно упакованы, чем хвостовые концы. То же самое натяжение создается, когда противоположный конус lysophosphatidic кислоты ацетилируется [4,5], или даже в большей степени, когда его фосфатная головная группа удаляется с помощью phospholipase C, чтобы дать diacylglycerol [6]. Крупные головные группы, как у lysophospholipids, создают позитивный изгиб монослоя. Lysophospholipid концентрации м.б. локально усилены с помощью phospholipase A2. Очевидно, что натяжение не только вызывает изгибание мембраны, когда два мембранных листка бислоя не содержат одних и тех же липидов. Изгиб вызывается также с помощью минимального увеличения в количестве липидов в одном из листков по сравнению с др. [7]. Спонтанная транслокация липидов поперек модельной мембраны медленна, но транслокация phosphatidic и lysobisphosphatidic кислот индуцируется с помощью низкого pH (см. [3,7]. Помимо индукции изгиба конические липиды значительно облегчают слияние и отшнуровку (которая также включает ступень слияния), в то время как цилиндрический липид phosphatidylcholine и цилиндрическая комбинация sphingomyelin + cholesterol устойчивы к изгибам и слиянию [8].

Lipid sorting by lateral heterogeneity and protein recruitment


Липиды мембран эукариот являются жидкими. Липиды в endoplamsic reticulum (ER) являются в основном ненасыщенными, тогда как насыщенные липиды в др. мембранах превращаются в жидкие с помощью cholesterol. Интересно, что разные взаимные сродства липидов м. давать сосуществование липидных фаз, отличающихся состоянием (fluidity) (т.e. liquid-ordered versus disordered). Сегрегация происходит в липосомах с плазматической мембраной липидного состава и удивительно, но одна фаза м. спонтанно отпочковываться от др. (Рис. 1; [9]). При везикулярном переносе, такое отпочкование нуждается затем в поддержке специфических белков, чтобы направить пузырек к соотв. органелле. Толщина мембран соответствует гидрофобной длине трансмембранных доменов [10], а насыщенные и ненасыщенные липидные якоря локализуют белки в разных областях на цитозольной стороне плазматической мембраны.

Vessicular transport. (a) Vesicular transport involves curving of the donor membrane, fission, transport through the cytosol, docking and fusion with a target membrane. (b) In some cases tubes are formed from a membrane. The tubes may fuse with a target membrane (the ER/Golgi [20] or the plasma membrane [41]). In endosomes, tubulo-vesicular structures bud from the end of the tube [6]. (c) The budding vesicle may have a different lipid composition from the rest of the membrane, and its content may differ from that of the original compartment. (d) In the case that a vesicle buds from an asymmetric membrane, both inner and outer leaflet of the budding vesicle may have a composition different from that of the original membrane leaflet. Lateral lipid segregation in each leaflet may be determined by the physical immiscibility of lipids alone or may require stabilization by protein oligomerization or curvature.

Пока все еще неизвестно, какие молекулярные свойства предопределяют специфические взаимодействия между белками и разными липидными фазами. Цитозольные белки транспортной кухни рекрутируются высоко регулируемым способом посредством различных phosphoinositides, чей синтез и деградация зависят от времени и позиции [11].

Different lipid combinations act at the various organelles


Aminophospholipid flip and budding


Благодаря своим высоким уровням ненасыщенные липиды и низким уровням sphingolipids и cholesterol, ER мембраны оказываются чрезвычайно гибкими с наивысшей скоростью спонтанной транслокации через липидный би-слой. Изгибы в этой мембране генерируются с помощью COPII оболочек. В ретроградном пути комплекс COPI обусловливает отпочкование от мембран Гольджи и этот комплекс также способен отпочковать пузырьки от липосом [12,13]. Однако, у дрожжей в Golgi, члены семейства Drs2p P-type ATPases , по-видимому. существенны для формирования антероградного и ретроградного транспорта пузырьков [14]. Кроме того, инактивация Drs2p ATPases в Golgi и плазматической мембране драматически влияет на эндоцитоз [15]. Первоначально Golgi P-type ATPase Drs2p сама по себе была идентифицирована как aminophospholipid транслокатор, поддерживающий цитозольную ориентацию phosphatidylserine и phosphatidylethanolamine в плазматической мембране, однако новые данные приписывают эту функцию двум членам семейства плазматической мембраны [15]. Имеется более десятка Drs2p-like P-type ATPases у людей; их участие в везикулярном транспорте (Рис. 2) подтверждает идею, что транслокация липидных масс на цитозольную поверхность м. управлять изгибанием и отпочкованием [7]. Позднее, ABC транспортеры, как было установлено, также участвуют в транслокации липидов, нов в противоположном, экзоплазменном направлении. Затрагивают ли ABC транспортеры отпочкование, неясно.

Sphingolipid/cholesterol domains and sorting


Glycerophospholipids, cholesterol и остов sphingolipid ceramide синтезируются в ER. В то время как ceramide достигают первого энзима синтеза гликолипидов, glucosylceramide synthase, в раннем Golgi с помощью везикулярного транспорта, ими транспортируются в Golgi sphingomyelin synthase, которая недавно идентифицирована в качестве SMS1 [16,17],

Рис. 2. Lipid translocators may induce curvature. Different P-type ATPases at specific locations are involved in the translocation of aminophospholipids towards the cytosolic leaflet of cellular membranes and may provide the driving force for the budding reaction in rigid membranes. Because the lateral pressure will be felt all along the closed membrane, the translocator does not have to reside in the bud itself. PM, plasma membrane. The blue and green boxes indicate two different P-type ATPases that translocate aminophospholipids from the exoplasmic membrane leaflet (red lines) towards the cytosolic leaflet (blue lines) and thereby generate lateral pressure in the cytosolic leaflet (double-headed arrows). The difference in lateral pressure between the two leaflets may be the driving force behind budding.

появляется с помощью независимого пути посредством ceramide transfer protein CERT [18]. SMS1 ко-локализуется с маркером trans-Golgi sialyltransferase [16], которая занимает крупный сайт синтеза sphingolipid в trans-Golgi. Рассматривая двунаправленное везикулярное общение между ER и плазматической мембраной (Рис. 3), наиболее замечательным свойством липидной организации в клетках млекопитающих выявляется обогащение sphingolipids и cholesterol позднего Golgi, плазматической мембраны и эндосом. Cholesterol спонтанно перемещается между и поперек мембран в виде мономера. Его локализация предопределеляется с помощью его высокого сродства к sphingolipids и насыщенным glycerophospholipids. Что же движет sphingolipid/cholesterol комплекс в направлении плазматической мембраны. Ориентация в направлении просвета sphingolipids сил указывает на то, что комплекс д. специфически включаться в forward путь или исключаться из ретроградных пузырьков (Рис. 3). В самом деле, COPI-покрытые Golgi пузырьки имеют пониженные уровни sphingomyelin и cholesterol [19]. Эти пузырьки м. отпочковываться от пред-существующих доменов. Или напротив, генерация изгиба (напр.. с помощью оболочки) м. индуцировать широко-массштабную сортировку с помощью специфического включения ненасыщенных липидов в формирующуюся почку. Таким образом высоко искривленные ретроградные трубочки [20] также будут высвобождать ненасыщенные липиды из Golgi. Происходит ли сходная реакция сортировки на цитозольной поверхности, за исключением цитозольно ориентированных phosphatidylserine из ретроградного пути, остается неизвестно, т.к. липидная организация цитозольной стороны просветных sphingolipid-cholesterol доменов неизвестна.



Рис. 3. Lipid transport between ER and Golgi. A bidirectional vesicular transport pathway connects the ER and Golgi, although tubulation is also observed [20]. Cholesterol spontaneously exchanges between membranes. Ceramide can be transported by the transfer protein CERT [18], which is required for reaching the sphingomyelin synthase 1 in the trans Golgi [16,17]. Glucosylceramide synthesized on the cytosolic surface of the cis-Golgi, which utilizes a different pool of ceramide, spontaneously translocates across the membrane to be converted to lactosylceramide and the ganglioside GM3. Translocation to the lumen of the trans-Golgi via the ABC transporter MDR1 may be specific for a glucosylceramide pool destined for the synthesis of neutral glycolipids [42]. PM, plasma membrane. Rafts (red lines, indicating sphingolipid/cholesterol composition) in lumenal leaflets of organellar membranes (blue lines, indicating glycerophospholipid composition) serve to sort sphingolipids, cholesterol and proteins towards the plasma membrane.

Sorting of lipid-anchored proteins


Специальный класс белков плазматической мембраны, это те. которые закреплены на мембране при помощи липидных хвостов. Каков молекулярный механизм, который обогащает glycosylphosphatidylinositol (GPI)-закрепленными белками на наружной поверхности плазматической мембраны и ацетилирует и prenylated белки на внутренней поверхности плазматической мембраны? GPI-закрепленные белки, по-видимому. исключены из ретроградного транспорта, возможно из-за того, что они распределяются со sphingolipids. Всё ещё продолжаются споры, образуют ли GPI-закрепленные белки кластеры на клеточной поверхности [21-23]. Т.к. GPI-закрепленные белки в основном сортируются в Golgi и эндосомах, то это, по-видимому, имеет отношение к изучению локальных кластеров в этих органеллах. Acylated и prenylated белки занимают разные ареалы цитозольной поверхности, это, по-видимому, отражает упорядоченные и неупорядоченные липидные домены, соотв. [24]. Следовательно, липидные плотики скорее всего обеспечивают сортировку закрепленных на липидах белков в плазматическую мембрану.

Lipid-binding proteins and vesicle flux


Неожиданно антероградный транспорт в Golgi оказался чрезвычайно чувствительным к изменениям концентрации холестерола [25,26], возможно это ведет к несоответствующей сегрегации липидов и белков [27] или к неправильному отложению белков на цитозольной поверхности. У дрожжей трансмембранный ток через экзоцитотический путь регулируется с помощью цитозольного Sec14 [28], семейства цитозольных phosphatidylcholine/phosphatidylinositol белков-переносчиков, которые посредством своей двойной специфичности м. действовать как сенсоры липидного состава и адаптировать липидный метаболизм. В то время как phosphatidylinositol переносящий белок млекопитающих, PITPα, м. выполнять родственную функцию и сообщать обратно в ядро [29], то высоко гомологичный ассоциированный с Golgi PITPβ существенен для роста [30]. PITPβ связывает sphingomyelin, что является неожиданным, т.к. этот липид, как полагалось, находится в просвете Golgi.

Selective endocytosis


Эндоцитоз (Рис. 4) м. управляться с помощью транслокации липидов и основанного на актине механизма, но прежде всего machinery сортировки белков использует (clathrin) белковые оболочки. Напротив, преимущественное потребление гликолипидов с помощью кавеол [31] нуждается в базирующейся на липидах агрегации [32]. Гликолипиды используются в качестве эндоцитотических рецепторов токсинами, вирусами и бактериями. Липидные плотики, по-видимому, играют основную роль в передаче сигналов рецепторами и эндоцитозе (не обязательно посредством caveolae), процессе, по-видимому, регулируемому с помощью интегринов [33]. Гликолипидные плотики, по-видимому, концентрируются на путях от ранних эндосом к recycling эндосомам и к поздним эндосомам, откуда плотики достигают Golgi [34], транспортный путь, которым следуют glycolipid-связанные токсины в направлении ER [35]. Транспорт sphingolipids и cholesterol в Golgi прерывается в условиях накопления липидов в эндоцитотических органеллах (как это наблюдается при многих болезнях лизосомного накопления) [36]. Удаление холестерола из эндосом зависит

Рис. 4. Endocytic lipid sorting. Glycolipids (with probably sphingomyelin and cholesterol) aggregate in the plasma membrane and the endosomes, and recycle to the plasma membrane via recycling endosomes and partially via late endosomes and Golgi [34]. Sphingolipids and cholesterol may be present as sizeable domains only when stabilized, e.g. by curvature. However, the lateral localization of the sphingolipids and cholesterol in the endocytic membranes is unknown. Lateral sphingolipid sorting in transcytosis maintains the enrichment of (glyco)sphingolipids in the apical membrane of epithelial cells [43]. The nature of the transport intermediates is not known. Vesicles bud into late endosomes by a process requiring the conical lipid lysobisphosphatidic acid, LBPA [3]. Both LBPA and cholesterol are enriched in the internal membranes. However, whereas LBPA is enriched in lysosomes, cholesterol is depleted [44]. In some cases, these vesicles fuse back with the outer membrane [45]. Plasma membranes and endosomes contain P-type ATPases of the lipid translocator family. Sphingolipids travel from endosomes towards the Golgi and the plasma membrane. This must involve rafts (red lines).

от белка NPC1, который содержит sterol-sensing домен. Подобно своему аналогу в плазматической мембране NPC1L1 [37], он транспортирует холестерол (и возможно sphingolipids [38]) в цитозоль с помощью механизма, который неизвестен, но м. использовать vesiculation. Cholesterol модулирует также везикулярный трафик в и из ранних эндосом посредством annexin II [39,40].



Eukaryotic cells use the physical properties of their individual membrane lipid classes at specific steps in vesicle traffic. The local concentration of these lipids is regulated by an army of enzymes and translocators and appears to be one parameter in regulating the membrane flux through the various pathways. In addition, the spontaneous segregation of lipid mixtures into different phases appears to be one of the basic mechanisms by which proteins and lipids are sorted towards their destinations. How the concentrations of lipids in each organelle, the sizes of organelles and the lipid fluxes between them fit in with the complex spatial and temporal network of lipid metabolism is a challenge that can only be addressed by combining our present molecular approaches with the integrative power of systems biology. This field, which may be termed cellular lipidomics, will greatly benefit from the rapid development of sensitive, high-throughput and lipid-wide methodology for lipid quantitation that is to be expected as a consequence of similar developments in genomics and proteomics over the last decade.

Update


The occurrence of two GPI-proteins in separate plasma membrane domains of different lipid composition [47] and the finding of lipid-anchored proteins in cholesterolindependent microdomains on the cytosolic surface (see [48]) illustrate that the reality of the organization of biomembranes is not explained by the mere notion of sphingolipid/cholesterol rafts. A specific function of sphingolipids on cytosolic surfaces is suggested by the fact that the cytosolic protein FAPP2, which contains a glycolipid binding domain, plays a role in regulating membrane flow between the Golgi and the plasma membrane [49]. Finally, whereas cholesterol is assumed to move passively across and between membranes, this transport appears to be mediated by intricate machineries. Cholesterol transport out of endo-/lysosomes requires both the soluble cholesterol-binding NPC2 protein in the lumen and the putative cholesterol transporter NPC1 in the membrane, which turn out to work in concert [50]. Lipids and proteins have been well-studied, but a lot remains to be learnt about how they team up in cell membranes.
Сайт создан в системе uCoz