Opinion: Sheets, ribbons and tubules — how organelles get their shape
Gia K. Voeltz1 and William A. Prinz Nature Reviews Molecular Cell Biology 8, 258-264 (March 2007) | doi:10.1038/nrm2119
Большинство управляемых мембранами органелл имеют сложные, динамические формы и часто включает области с отличным морфологическими проявлениями. Эти сложные структуры довольно консервативны в течение развития, это указывает, что они важны для оптимальной функции органелл. Различные механизмы определения формы органелл были предложены для белков, которые стабилизируют высоко изогнутые мембраны, прикрепление органелл к другим клеточным компонентам и регулируют деление и слияние мембранн, все они могут вносить вклад.
Двойные слои фосфолипидов спонтанно формируют сферические или пластинчатые формы в водном растворе. Принимая во внимание, что некоторые органеллы, такие как lysosomes и peroxisomes, являются относительно сферическими, у большинства более сложная форма. Например, комплек Golgi и endoplasmic ретикулема (ER) содержат области, которые формируют сложные сети из взаимосвязанных cisternae, трубочек и фенестрации (Fig. 1). Другие органеллы, такие как митохондрии и мультивезикулярные тела, имеются внешние ограничивающие мембраны и сложные сети внутренних мембран. Генерирация и поддержка этих и других высоко искривленных органеллы требуют, чтобы определенные механизмы стабилизировали их.
Рис.1. | Organelles have complex, conserved shapes.
Форма большинства органелл высоко консервативна между видами; сходной формы органеллы наблюдаются в дрожжевых и в клетках млекопитающих (Fig. 1). Кроме того, разные органеллы могут иметь субдомены, которые напоминают др. др. по форме и архитектуре. Примером может служить тубулярная сеть, формируемая в регионах ER и inner mitochondrial membrane (IMM) (compare Fig. 1c with Fig. 1e, and Fig. 2a with Fig. 2b). Эти сети не только выглядят одинаково, но также содержат трубочки сходных диаметров в многочисленных ипах клеток (~ 60 nm b 30 nm в диаметре для ER и IMM трубочек, соотв.1-3; Fig. 2a,b). Такая консервативность указывает на то, что эти диаметры, по-видимому, важны для функционирования органелл.
Давно известно, что комплекс взаимодействующих факторов предопределяет морфологию органелл, но как это происходит, и какие белки ответственны за это остается неизвестно. В некоторых недавних исследования начата идентификация и характеристика белков, которые необходимы для придания формы некоторым органеллам. Эти находки выявили общие механизмы придания формы органеллам, которые могут быть использованы по всей клетке. Будут обсуждены 4 из этих механизмов. В первом, некоторые белки помогают создать форму огранелл путем стабилизации изогнутости мембран. Во втором, белки, которые связаны с мембранами, и с цитоскелетом или с др. мембранами, также могут предопределять морфологию органелл. Третий регулирует деление и слияние мембран и может влиять на форму органелл. Наконец, некоторые белки могут способствовать детерминировать форму органелл путем стабилизации разных морфологий в непрерывных мембранах.
Stabilizing membrane curvature
Поддержание трубочек, фенестраций, цистерн и др. форм с сильной изогнутостью нуждается в белках, которые сгибают мембраны. Могут быть использованы три типа механизмов (Fig. 2c). В первом, белковый каркас сгибает подлежащую мембрану. Во втором, тенденция двух листков бислоя оставаться вместе, известная как связанный с бислоем эффект, может облегчать изгибание мембраны с помощью белков, которые вставляют домены в один из листков. В третьем, асимметричное распределение липидов в бислое также может влиять на искривленность мембран.
Scaffolding proteins and membrane bending. Белок или белковый комплекс могут формировать каркас, который сгибает мембрану органеллы. Растет количество белков, которые искривляют мембрану за счет каркасного механизма во время слияния или деления пузырьков (rev. Refs 4, 5). Эти белки соединяются с мембранами временно и олигомеризуются, образуя ригидные, искривленные структуры, которые изгибают подлежащую мембрану. Олигомеры распадаются, когда в них нет больше необходимости. Наиболее постоянные каркасные белки вокруг органелл могут помогать предопределять их форму. Они могут генерироваться с помощью интегральных мембранных белков, таких как caveolin, который олигомеризуется, вообще-то в спирали, на плазматической мембране, приводя в локальных сайтах к искривлениям мембраны, известным как кавеолы (rev. Ref. 6).
На интегральной мембране белковый каркас может поддерживать сильную изогнутость и форму tubular гребешков в IMM. F1F0-ATP synthase законсервирована и является очень многочисленным интегральным белковым комплексом мембран в IMM, который, как было предположено, затрагивает структуру гребешков с помощью двух механизмов. Димеризация вставленных в мембрану F0 частей F1F0-ATP-synthase комплекса может искривлять IMM, вообще-то вызывая локальные деформации в мембране, управляя тем самым tubulation7,8. В подтверждение этой функции, нарушение способности синтазы димеризоваться заметно изменяет морфологию IMM у дрожжей, превращая IMM tubular цистерны в луковица-подобные структуры9-12. Белковые субъединицы, которые необходимы для димеризации, не являются обязательными для подкачки протонов с помощью synthase, указывая тем самым, что луковице-подобные структуры, которые обнаруживаются у мутантов по димеризации, не образуются как непосредственный результат дефектов функции синтазы. Образование IMM трубочек также скорее всего обусловливается олигомеризацией из F1F0-ATP-synthase димеров в цепочки, которые могут функционировать как каркасы; ЭМ исследования показали, что такие олигомеры образуют спираль вокруг IMM трубочек и следовательно, они могут действовать как жесткий каркас для мембран, который и наделяет формой бислой7,13 (Fig. 2a). Диаметр IMM трубочек может быть детерминирован путем наложения с определенным шагом (rise and pitch) спиралей, формируемых во время олигомеризации димеров F1F0-ATP-synthase.
Bilayer-couple effect. Некоторые белки могут использоать т. наз. связанный с бислоем эффект, чтобы изгибать мембраны и влиять на форму органелл. Т.к. гидрофобные взаимодействия между двумя слоями мембранного двухслоя имеют тенденцию удерживать их связанными вместе, то существенные изменения области поверхности любого из листков будут в точности вызывать искривление мембраны. Белки могут, следовательно, искривлять мембрану путем вставления только в один (или преимущественно в один) листок бислоя.
Чтобы интегральный мембранный белок индуцировал или стабилизировал изгиб мембыраны по всей органелле, он д. быть достаточно многочисленным, чтобы распространиться на целую область органеллы, которая д. активно менять свою форму. Такой механизм был недавно предположен для reticulons и DP1/, которые являются обильными интегральными белками, которые необходимы для поддержания собственно трубчатой структуры ER14. Эти белки имеют необычную мембранную топологию; они вставляют две пары α-спиралей частично в ER мембрану. Гидрофобные участки, которые формируют спирали шпильки, недостаточно длинны, чтобы полностью пронизать мембрану (они всего длиной в 30-34 аминокислот). Следовательно, эти короткие шпильки скорее всего оккупируют большую часть пространства наружного скорее. чем внутреннего листка ER мембраны, заставляя её искривляться и формировать трубку14 (Fig. 2c).
Интересно, что эти белки имеют сходную с кавеолином топологию, который также вставляет необычно короткие шпильки в мембранный бислой плазматической мембраны и это свойство, по крайней мере, частично ответственно за возникновение изгиба мембраны в кавеолы. Caveolin, F1F0-ATP synthase, reticulons и DP1/Yop1 обладают, следовательно, некоторыми общими механистическими свойствами: все они олигомеризуют интегральные мембранные белки, они концентрируются в области, которую они видоизменяют и они имеют необычные свойства трансмембранных доменов, которые могут вызывать искривление мембран.
Образование трубочек, по-видимому, нуждается в большем, чем в увеличении изгиба мембраны и многочисленные и олигомеризующиеся reticulons и DP1/Yop1, по-видимому, используют также каркасный механизм для стабилизации трубочек (т.е. аналогично caveolin в кавеолах и F1F0-ATP-synthase комплексу в митохондриальных трубочках). Наиболее логичной формой для всех этих белков д.быть спиральная или кольцевая, которые окружают область мембраны, форму которой они изменяют. Такие структуры не были определены со всей определенностью с помощью ЭМ.
Lipid asymmetry. Морфология органелл может быть также предопределена с помощью липидов, некоторые из которых вызывают негативное или позитивное искривление мембранных бислоёв, когда они асимметрично распределяются между двумя листками. Способность липидов затрагивать изгиб бислоя определена по их эффективной форме в мембране; т.е. по относительной области поперечного среза их полярной головной группы по сравнению с их аполярными хвостами4. Когда они сходны, напр., с phosphatidylcholine, то липиды не влияют существенно на кривизну мембраны, когда они изобильны в одном из листков бислоя. Однако, когда относительная область головной группы и хвостовой отличаются, то это способствует негативному или позитивному изгибу, когда они асимметрично распределены в мембране. Примеры таких липидов включают phosphatidylethanamine, phosphatidic acid и lysophosphatidylcholine. Существенные деформации мембран, которые происходят во время образования пузырьков и слияния мембран, нуждаются в том, чтобы такие способствующие кривизне липиды, становились временно многочисленными в небольших областях одного из листков мембранного бислоя4,5,15. В самом деле, было предположено, что некоторые искривления мембран управляются асимметрией липидов, которая генерируется с помощью энзимов, модифицирующих липиды, или с помощью flippases, энзима, который переносит липиды между листками бислоя. Напр., phospholipase D, которая гидролизует phosphatidylcholine, чтобы дать способствующий изгибанию липид phosphatidic acid, участвует в нескольких реакциях по слиянию мембран, хотя её функция остается неизвестной16-18.
Асимметричное распределение липидов, которое способствует изгибу мембран, может сходным образом помочь предопределении формы органелл (Fig. 2c). Однако, в отличие от отпочкования и слияния пузырьков, деформации мембран, необходимые для поддержания структуры органелл, не являются временными и д. возникать по всем доменам органеллы. Мало доказательств, что способствующие изгибам липиды достоверно и постоянно асимметрично распределены в большинстве мембран органелл, иных чем плазматическая мембрана. Некоторые органеллы с характерными формами, включая ER и cis-Golgi комплекс, как полагают, имеют независимые от энергии flippases, которые быстро уравновешивают большинство, если не все, классы липидов в мембране19-21. Поэтому вряд ли асимметрия липидов вносит существенный вклад в предопределение формы этих или большинства др. органелл.
Membrane tethering
Соединение или связывание мембран др. с др. или с цитоскелетом может помочь в детерминации формы органелл.
Cytoskeletal tethering. У высших эукариот многие органеллы, включая ER, митохондрии и аппарат Golgi, связаны с цитоскелетом. Эти взаимодействия облегчают перемещения и позиционирование органелл в клетках, но могут также помогать в определении морфологии органелл, которая может становиться существенно измененной, когда микротрубочки или актиновые филаменты деполимеризуются. В некоторых случаях белки, которые необходимы для связывания органелл с цитоскелетом, были идентифицированы. Одним из примеров является комплекс dynein и dynactin, который прикрепляет комплекс Golgi к микротрубочкам. Разрушение этого комплекса вызывает заметные изменения в форме и локализации Golgi; короткие Golgi стопки (stacks) образуются вблизи ER-exit сайтов22. Сходный фенотип обнаруживается, когда разрушены микротрубочки23. Однако, эти изменения д. быть непрямыми из-за везикулярных поставок в комплекс Golgi, которые нуждаются в dynein, dynactin и микротрубочках, и они необходимы для поддержания формы Golgi24. Форма митохондрий также затрагивается нарушениями как микротрубочек, так и актиновых филамент. В обоих случаях такие изменения обнаруживаются также благодаря потере поставки, особенно белка слияния dynamin-related protein-1 (; известного как Dnm1 у дрожжей)25,26. Актиновые филаменты могут играть более непосредственную роль в поддержании формы Golgi; состояния, которые обусловливают деполимеризацию актина без нарушения поставки пузырьков приводят к тому, что Golgi стопки (stacks) фрагментируются и приводят к разбуханию цистерн27.
Вклад цитоскелета в структуру ER остается неясным. Микротрубочки часто выстраиваются в линию с кончиками растущих ER трубочек и могут быть необходимы для простирания новых трубочек от ER (Fig. 3a). Cytoskeleton-linking membrane protein CLIMP63 (ранее известный как p63) является интегральным белком ER мембран, который связывается с микротрубочками и сегодня является наилучшим кандидатом на роль белка, обеспечивающего это взаимодействие. Избыточная экспрессия CLIMP63, который лишен домена, связывающего микротрубочки, заставляет ER мембраны оттягиваться назад к ядерной оболочке и редуцирует ER тубулярные структуры28. Хотя микротрубочки и CLIMP63 могут вносить вклад в простирание и поддержание распределения ER трубочек по всей цитоплазме, вряд ли они участвуют в поддержании формы ER; после того как формируются ER трубочки, они редко выстраиваются в линию с микротрубочками и имеется задержка во многие минуты между деполимеризацией микротрубочек и изменениями формы органелл (это верно и для комплекса Golgi). Более того, ER трубочки могут быть сформированы in vitro в отсутствие микротрубочек3,29-31. Др. факторы могут быть главными детерминантами морфологии органелл, а микротрубочки могут быть необходимы в основном для дисперсии органелл в клетке.
Intermembrane tethering. Соединения между мембранами могут также помочь предопределять форму органелл. В некоторых случаях такие соединения заставляют мембраны формировать тесно противопоставленные слои (Fig. 3b). Напр., соединение помогает генерировать цистерны ER, которые видны в некоторых типах клеток. Snapp с сотр. показали, что взаимодействия низкого сродства между цитозольными доменами ER-мембранных белков способствуют формированию уложенных стопками ER цистерн с фиксированными расстояниями между мембранами32.
Др. примеры связи мембран, необходимой для структуры органелл, получены на митохондриях. Расстояние просвета между листками из наружной митохондриальной мембраны и IMM регулярно (~30 nm) и, по-видимому, детерминировано, ко крайней мере частично, ригидностью и фьормой многочисленных TIM/TOM (translocases of inner and outer mitochondrial membrane) транслокационных комплексов, которые пронизывают обе мембраны бислоя33. Внутримембранная связь может также помочь в предопределении структуры IMM гребешков. Предполагается, что олигомеризация мембранных связей и растворимые формы IMM-локализованного dynamin-подобного белка optic atrophy protein-1 (; известного как Mgm1 у дрожжей) может помочь понять форму гребешков благодаря связыванию этих мембран др. с др. Истощение OPA1 приводит к заметной реорганизации IMM и к потере cristae tubules34,35.
Организация стопок Golgi почти определенно нуждается в мембранном связывании. В то время как внутрипросветное пространство в цистернах Golgi может варьировать внутри стопки от цис к транс (от 15-30 nm для cis-Golgi и от 4-11 nm для trans-Golgi в растительных клетках36), пространство между цистернами в Golgi стопках является регулярным37 (~20 nm, Fig. 1f). Это расстояние, по-видимому, обеспечивается интегральным мембранно-белковым матриксом. В самом деле, обработка изолированных Golgi стопок некоторыми протеолитическими энзимами вызывает разборку стопы из цистерн38. Более того, ЭМ обнаруживает организованные ряды белков на поверхности Golgi стопок, что согласуется с интегральной membrane-protein-matrix структурой, хотя идентифицировать эти белки пока не удается36.
Tethering to the cytoskeleton and membranes. Мембраны могут быть одновременно связаны как с др. мембранами, так и цитоскелетом (Fig. 3c). Комплекс LINC представляет прекрасный пример. Этот комплекс, который пронизывает обе мембраны ядерной оболочки, представлен SUN (Sad1 and UNC-84 homology domain) белками во inner nuclear membrane (INM) и nesprins в наружной ядерной мембране. N концы каждого из SUN белков взаимодействуют с ядерными lamins, удерживающими SUN белки в INM, в то время как C концы связывают nesprins в perinuclear space (PNS), формируя комплекс, который пронизывает PNS. На цитоплазматической поверхности ядерной оболочки nesprins, в свою очередь, взаимодействуют с актиновым цитоскелетом. Комплекс в целом предопределяет, по крайней мере частично, форму и пространство между внутренней и наружной ядерной мембранами (PNS ~50-nm шириной); Деплеция белков SUN приводит к экспансии PNS39-41.
Regulating fission and fusion
Мембраны органелл являются динамичными и постоянно подвергаются слияниям и делениям. Неудивительно, что эти процессы могут существенно влиять на форму органелл. Особенно впечатляющий пример - митохондрии. Митохондрии постоянно сливаются др. с др. и делятся. Когда слияние блокировано путем истозения белков mitofusin-1 (MFN1) или его дрожжевого гомолога fuzzy onions-1 (Fzo1) или OPA1/Mgm1, то накапливаются многочисленные маленькие митохондрии. Напротив, блокирование деления путем истощения Dnm1, вызывает образование немногих крупных, фенестрированных митохондрий42,43(Fig. 4a). Удивительно, когда блокировано и слияние и деление в клетках из-за отсутствия Fzo1 и Dnm1, то митохондрии выглядят подобно таковым в клетках дикого типа. Форма митохондрий, следовательно, поддерживается за счет баланса между скоростью деления и слияния44,45.
В ответ на средовые стрессы или во время клеточного цикла, баланс между слиянием и делением часто модулирует морфологию органелл. Напр., ER, ядерная оболочка и комплекс Golgi могут полностью раствориться во время митоза и затем восстанавливаются. Гомотипическое слияние, которое поддерживает форму этих органелл, по-видимому, регулируется. Имеются некоторые доказательства, что для всех трех систем мембран такое слияние нуждается в компонентах кухни слияния, которые включают p97 (известный также как valosin-containing protein ()) и , т.к. антитела против этих белков могут предупреждать сборку тубулярных ER, стопок Golgi и ядерной облочки in vitro46-49. По-видимому. способность этих белков способствовать слиянию, регулируется с помощью фосфорилирования или др. пост-трансляционных модификаций во время клеточного цикла.
Описан и др. способ регуляции слияния, который затрагивает морфологию органелл. Golgi комплекс часто располагается в виде стопок из биохимически отличающихся цистерн. Некоторые типы клеток имеют несколько таких стопок (Fig. 1a) а в большинстве клеток позвоночных стопки сцеплены вместе, формируя ленты (ribbons). Этот процесс нуждается в слиянии латеральных цистерн, т.к. всё ещё сохраняется целостность стопок (т.е., создается уверенность, что все стопки не сольются в одну). Puthenveedu et al. установили, что комплекс белков, включая Golgi reassembly stacking белок в 65 kD () и cis-Golgi matrix protein of 130 kD () связывают латеральные цистерны вместе, способствуя тем самым их слиянию50 (Fig. 4b). Собственно форма Golgi стопки поддерживается за счет обеспечения слияния в специфических регионах цистерн.
Differently shaped domains
Многие органеллы имеют не только сложную морфологию, но и также поддерживают домены органелл с разными формами. Наиболее наглядным примером является периферический ER, который формируется из одиночной мембраны и является продолжением ядерной оболочки, но может иметь домены, которые имеют форму трубочек, фенестрированы или формируют организованные в стопку цистерны51,52(Fig. 1c,d). Как регионы разной формы поддерживаются в одиночной мембране не совсем ясно, но как полагают за это ответственны 3 механизма (Fig. 5). Один, это механизм барьера с избирательной диффузией, который может предупреждать перемещение белков, обеспечивающих форму мембране, или липидов между разными доменами органеллы. Septin-зависимый барьер диффузии в ER шейке в клетках почкующихся дрожжей ослабляет диффузию мембранных белков между непрерывным ER из материнской в дочерние клетки53.
Мембранное связывание, по-видимому, представляет собой второй механизм генерации областей, отличающихся формой, в органелле. Напр., белки, располагающиеся в INM могут быть связаны с др. ядерными компонентами, включая lamins и хроматин, это возможно помогает сохранять мембране отличную форму по сравнению с тубулярными периферическим ER51.
Наконец, белки, определяющие форму мембран, сами по себе могут генерировать по разному структуированные области органеллы благодаря сегрегации преимущественно в часть органеллы. Напр., это может быть энергетически неблагоприятным для белков, которые стабилизируют искривленные мембраны, и они диффундируют от сюда в менее искривленные области органеллы. Такой механизм был предложен для reticulons, которые сильно обогащены в трубчатых частях ER14. Удивительно, но это верно и когда эти белки экспрессируются избыточно. Следовательно, сродство reticulons к трубчатым мембранам может гарантировать, что области ER, которые лишены reticulons могут принимать формы. отличные от трубочек, такие как листки периферического ER и ядерной оболочки.
Concluding remarks
We are still only beginning to understand how complex organelle shapes are generated. Membrane-bending proteins, such as the reticulons, DP1/Yop1 and caveolin probably have a central role in generating shape in many organelles. The most important challenge for the future remains understanding how these proteins function and are regulated. Another intriguing question is the relationship between organelle shape and optimal organelle function. As more organelle-shaping proteins are identified, it will be possible to assess this relationship more directly and, in particular, to understand how organelle morphology is regulated both during the cell cycle and during cellular differentiation.
