Посещений:
КАВЕОЛЫ

Структура и Функция

Stressing caveolae new role in cell mechanics
Pierre Nassoy, Christophe Lamaze
Trends in Cell.Biol. Volume 22, Issue 7, July 2012, Pages 381–389

It has been almost 60 years since caveolae were first visualized by Eichi Yamada and George Palade. Nevertheless, these specialized invaginations of the plasma membrane remain without clear and recognized physiological function. The recent identification of new caveolar components and the ability to probe cell mechanics with sophisticated opticophysical devices have shed new light on this fascinating organelle. Early studies from the 1970s suggested that caveolae could participate in the regulation of membrane dynamics. Recent data have established caveolae as mechanosensors that respond immediately to mechanical stress by flattening into the plasma membrane. Here, we focus on the molecular consequences that result from the caveolar disassembly/reassembly cycle induced by membrane tension variations at the surface of the cell under physiological and pathological conditions.
В 1953, лауреат Нобелевской премии George Palade сообщил о присутствии кавеол, тонких структур в кровеносных капиллярах1,2. В 1955, Yamada обисал сходные ‘cave-like’ структуры в эпителии желчного пузыря мыши и обозначил их как ‘caveolae intracellulares’ [3] (Figure 1).

Figure 1. Caveolar profiles. (a) Electron micrograph of mouse gall bladder epithelium section with ‘caveolae intracellulares’ (Cav) close to villi (V). Reproduced with permission from [3]. Bar, 250 nm. (b) Electron micrograph of blood capillary in rat skeletal muscle. The lumen (L) and caveolae (Cav) are indicated. Reproduced with permission from [2]. Bar, 250 nm. (c) Rapid-freeze deep-etch electron micrograph of the inner surface of the plasma membrane from T24 human bladder carcinoma cells. Caveolae (white arrows) and flattened caveolae (red circles) are indicated. Image courtesy of Nobuhiro Morone. Bar, 250 nm.

Caveolae (от лат. ‘маленькая полость’) были описаны ка (50–100 nm) O-образные инвагинации плазматической мембраны, богатые caveolins, sphingolipids и cholesterol. Недавний ультраструктурный анализ показал, что кавеолы являются скорее бокало-образными инвагинациями с открытой шейкой, чувствительные к фиксации с помощью glutaraldehyde (поэтому и O- или бутылко-образная морфология, наблюдаемая рагнее)4,5. Caveolin-1 и -2 (Cav1, Cav2) это минимальные структурные единицы, необходимые для сборки функциональных кавеол в немышечных клетках, тогда как caveolin-3 (Cav3) является специфичным для мышц [6]. Cholesterol, Cav1 и недавно идентифицированный Cavin-1 (see Glossary) необходимы для биогенеза кавеол, но точные молекулярные механизмы остаются плохо изученными. Ультраструктура кавеол описана в недавних обзорах6-8.

The caveolae enigma


Функция кавеол остается загадочной и противоречивой. Кавеолы и Cav1 ассоциируют со многими функциями, включая эндоцитоз, трансцитоз, гомеостаз холестерола, механотрансдукцию, передачу клеточных сигналов, пролиферацию клеток и мышечную физиологию [6]. Тем не менее продолжаются споры о действительной функции кавеол. Кавеолы представляют собой субтип микродоменов плазматической мембраны, т. наз. 'raft' типа [9] и как таковые несомненно выполняют роль в передаче внутриклеточных сигналов, путем ограничения рецепторов с сигнальных молекул на плазматической мембране10-12. Морфологической сходство кавеол с ямками, покрытыми клатрином, позволило ранним исследователям предположить о существовании самостоятельного эндоцитотического пути, осуществляемого с помощью кавеол13-15. Сегодня принимается, что кавеолы являются принципиально стабильными доменами мембраны с потенциалом интернализации, которая происходит только при специфических условиях [16]. Споры о функции кавеол в основном обусловлены техническими ограничениями. Появление высокого разрешения клеточной микроскопии и новых молекулярных инструментов (CAV1-нулевые животные или клетки, Cav1 siRNA-based нокдаун, новые партнеры Cav1, такие как Cavins) позволили сделать переоценку функции кавеол и Cav117,18.

Revisiting an old story


Безусловно не является случайным совпадением, что кавеолы вперые были обнаружены в клетках типов, которые постоянно подвергаются механическим нагрузкам. Плоский монослой эндотелиальных клеток сосудов постоянно подвергается стрессам сдирания (shear stress), силе трения, вызываемой кровотоком. Сходным образом, эпителиальные клетки желчного пузыря подвергаются механическим сокращениям, когда желчь высвобождения в кишечник. Кавеолы также многочисленны в адипоцитах и мышечных клетках, которые испытывают набухание и натяжение соотв.
В 1960 Merillees описал удивительные количества 'caveolae intracellulares' на электронных микрофотографиях поперечно полосатых червеобразных мышц крыс [19]. Первое указание на участие кавеол в клеточной механике получены на ЭМ замороженных сколах , показавших присутствие уплощенных кавеол в скелетных волокнах лягушки после механической элонгации [20]. Сходным образом, растяжение гладкомышечных клеток морского слизня Aplysia californica приводили к потере формы кавеол в виде инвагинаций благодаря уплощению. Уплощение оказалось обратимым, , следовательно, кавеолы служат в качестве рецепторов растяжения в плазматической мембране [21]. Однако, возможные побочные эффекты механического удлинения мышечных волокон не устранялись. В самом деле, мышечные волокна крыс обнаруживали резкое уменьшение числа кавеол после тяжелых механических нарушений [22]. Недавно, осмотически вызываемое набухание и фармакологические нарушения холестерола подтвердили, что кавеолы служат в качестве резервов мембран, которые контролируют набуханием активируемые каналы хлорных ионов в вентрикулярных миоцитах крыс [23]. Дополнительные исследования эндотелиальных клеток также подтвердили участие кавеол в адаптациях к глобальным shear стрессам. Т.о., хронические и повторяющиеся стрессы от трения, воздействующие на плазматическую мембрану увеличивают количества кавеол в несколько раз24,25. Наконец, исследования передачи сигналов позволили связать кавеолы с механотрансдукцией. В ответ на стрессы от трения рекрутируется и фосфорилируется Cav1 на интегриновые комплексы integrin- и src kinase-зависимым способом в эндотелиальных клетках аорты телят [26], и далее было установлено, что Cav-1 и кавеолы необходимы как для быстрой, так и долговременной механотрансдукции в интактных кровеносных сосудах мышей [27]. Циклические растяжения вызывают перераспределение Cav3 в сосудистых гладкомышечных клетках посредством активации Akt kinase [28], а растяжения кардиомиоцитов ведут к активации RhoA и Rac1 зависимым от кавеол способом [29]. Увеличение плотности кавеол, вызванное трением от кровотока на поверхности эндотелиальных клеток, ассоциирует с активацией endothelial nitric oxide synthase (eNOS) и MAPK [30]. Отсутствие исследований на живых клетках, , однако, мешает пониманию того, как морфологические изменения кавеол могут быть связаны с механикой мембран.

Membrane folds and mechanics


In vivo клетки в физиологических и патологических ситуациях подвержены различным стрессам, включая изменения объема и растяжения (Table 1) 31-33, которые обнаруживают тенденцию увеличивать натяжение плазматической мембраны. Способность клеток приспосабливаться к этим стрессам не базируется на внутренне присущих механических свойствах плазматической мембраны, которая почти не эластична, но обнаруживает как скрытую эластичность мембраны, необходимую, чтобы избежать лизиса или разрывов, так и существование утонченных механочувствительных механизмов, регулирующих натяжение мембраны. В самом деле, если плазматическая мембрана будет вести себя как баллон перед надуванием, то если мембрана, которая будет натянута при надувании, то любой стресс, который необходим для увеличения области мембраны более чем на 3% будет нарушать целостность мембраны [34]. Всё же удивительно, растяжение более чем на 30% клетки в длину или разбухание на 20% объёма (соответствуя в обоих случаях приблизительно 15% в области растяжения) описывается нередко33,35. В случае умеренных стрессов присутствие конфигураций или складок на поверхности клетки (напр., ворсинок, ряби) может a priori служить резервом для мембраны, чтобы предотвратить любое увеличение натяжения мембраны [36]. Тем не менее такое сглаживание плазматической мембраны обычно не описывается, поскольку оно д. вызывать отсоединение мембраны от цитоскелета [37], которое неминуемо ведет к нарушениями динамики основных клеточных функций (напр., подвижности [38], эндоцитоза [39]). Вместо этого, как полагают, клетки, подвергаемые механическим стрессам, испытывают мимолётную волну натяжения мембраны, которая устраняется с помощью различных механизмов. Напр., активация и открытие ионных каналов и транспортеров вносит вклад в регуляторное уменьшение объема после осмотического разбухания [33], и тем самым натяжение мембраны снижается.

Table 1. Human pathologies potentially linked to impaired caveola-dependent mechanoresponse Табл. см. в оригинале статьи

Альтернативная или комплементарная стратегия возвращение натяжения мембраны к её состоянию в покое может происходить посредством гомеостаза области поверхности [40]. Высокие напряжения д. также способствовать рекрутированию мембраны на поверхность посредством процесса экзоцитоза, тогда как низкие натяжения д. увеличивать скорость эндоцитоза, чтобы устранить мембранный избыток. Эта гипотеза была тщательно оценена и зависимая от кальция резервуарная способность клеток была продемонстрирована с помощью in situ измерений натяжения мембраны, используя проведение нанотрубок в осмотически раздутые нейроны моллюсков [41]. Более того, те механизмы, которые необходимы для синтеза, транспорта и слияния пузырьков из Гольджи на клеточную поверхность, согласуются с временными характеристиками реляксации натяжения мембран, приблизительно в 10 мин. Однако, в противоположность нейронам, которые лишены структур кавеол, эндотелиальные и мышечные клетки, как было установлено, обнаруживают незначительную чувствительность к растяжению мембраны в результате осмотического набухания или растягивания [17]. Немедленная буферизация натяжения мембраны, как было установлено, результат АТФ и actin-независимого уплощения кавеол. Хотя такая механическая роль кавеол в качестве регуляторов плазматической мембраны впервые была предположена физиками теоретиками [42], далее экспериментально было показано, что уплощение кавеол сопровождается полной и быстрой разборкой структуры кавеол за счет свободной диффузии caveolins в плазматической мембране (в течение менее 30 s) [17]. После устранения механического стресса инициальная плотность кавеол восстанавливается, показывая что процесс этот обратим. Интересно, что, однако, механизм, не идентичен; разборка происходит исключительно пассивно, управляемая механическим состоянием мембраны, тогда как повторная сборка зависит от АТФ и актина. Эта новая механическая роль кавеол, по-видимому, является ключевой в гомеостазе натяжения мембран.

Caveolar flattening, a new concept in cell mechanics


Помимо предоставления дополнительной части мембраны для вставки в область поверхности, изменений, вызванных механическим стрессом, уплощение кавеол также приводило к диссоциации Cavin-1 от Cav1 и к увеличению количества свободно диффундирующего Cav1 на внутренней стороне плазматической мембраны. Cavin-1/PTRF принадлежит к недавно открытому семейству цитозольных белков, участвующего в биогенезе кавеол43,44. Быстрое высвобождение Cav1 и Cavin-1, вызванное механическим стрессом и их повторное соединение в кавеолы после завершения стресса является динамическим циклом, который , скорее всего, оказывает огромное влияние на гомеостаз клетки в физиологических и патологических контестах. Интересно, что механические стрессы не уплощают кавеолы более чем на 40-50% в эндотелиальных клетках [17]. Возможно, что кавеолы присутствуют в большом избытке, чтобы гарантировать полную способность мембранного резервуара даже при крайних растяжениях мембраны. Более того, было установлено, что уплощение кавеол происходит независимо от актинового цитоскелета в течение первых минут механического стресса. После более длительного периода стресса однако актиновый цитоскелет преобразуется [17], подтверждая, что он может замещать кавеолы, это может объяснить, почему только часть кавеол первоначально затребована. Интересно, что недавно было установлено, что стрессовые волокна могут также контролировать уплощение и трафик кавеол [45]. Поэтому было бы важно установить, увеличивается ли фракция уплощенных кавеол с увеличением продолжительности стресса. Согласно др. гипотезе механический стресс задействует только определенную популяцию кавеол. Нет прямых доказательств, указывающих на существование молекулярно отличающихся субпопуляций кавеол. Тем не менее, изображения живых клеток выявили кинетически отличающиеся пулы кавеол, которые стабильны на плазматической мембране или обнаруживают перемещения типа kiss-and-run или цитоплазматический транспорт на дальние расстояния [46]. На первый взгляд осмотический шок равномерно затрагивает разные пулы кавеол [17]. Разные киназы избирательно регулируют динамику этих субпопуляций [46]. Эти киназы могут участвовать в быстрой повторной сборке кавеол после прекращения стресса, это, в противоположность разборке, нуждается в АТФ [17]. Вновь идентифицированный Cav1 партнер также участвует в сборке молекулярно отличающихся кавеол. could also participate in the assembly of molecularly distinct caveolae. Действительно ли Cavin-2/SDPR, Cavin-3/SRBC и мышце-специфический Cavin-4/MURC, который формирует комплексы с Cavin-1 [47], униформно распределены в кавеоле, неизвестно. Pacsin-2 и EHD2 это два недавно идентифицированных игрока биогенеза кавеол48-50. Pacsin-2/syndapin-2 является белком, содержащим F-BAR домен, который снабжает трубочками (tubulates) мембраны и, как полагают, инвагинирует плоские Cav1 домены в отпочковывающиеся кавеолы на плазматической мембране [49]. Pacsin-2 также соединяется с EHD2, членом семейства EHD (Eps15 homology domain) белков, который участвует в мембранном трафике [51]. EHD2 очищается вместе с Cav1 в адипоцитах [48] и может ассоциировать с кавеолами посредством pacsin-2, но его роль остается неясной [49]. EHD2 и pascsin-2 частично локализуются с кавеолами, подтверждая существование молекулярно отличных наборов кавеол. Отслеживание динамики EHD2 и pacsin-2 и кавеол без сомнения позволит выяснить, как разные типы механических стрессов могут дифференциально затрагивать эти взаимодействия.
Возможно, что экспериментальные походы, использованные для индукции 40-50% уплощения кавеол представляют собой чрезвычайные ситуации, редко встречаемые в жизни. Т.о., уплощение может касаться только ограниченного числа кавеол в ответ на умеренные и локальные натяжения мембран. Если это так, то должно быть возможно наблюдать 'уплощенные' кавеолы в любой момент времени в плазматической мембране. Препараты замороженных сколов гладких мышц Aplysia показывают, что некоторые кавеолы уже были уплощены при стационарном режиме [21]. Недавно в быстро замороженных мышиных фибробластах наблюдались разные степени инвагинации кавеол, включая почти полностью уплощенные структуры [5] (Figure 1). В этом контексте, уплощение немногих кавеол может представлять собой высоко чувствительное mechanosensing устройство для быстрой адаптации клетки в ответ на локальные флюктуации натяжения плазматической мембраны.

Signals outside the cave


Передача внутриклеточных сигналов является ключевым процессом, который скорее всего модулируется уплощением кавеол. Различные сигнальные молекулы взаимодействуют с Cav111,12,52. Некоторые из этих взаимодействий зависят от динамики Cav1. В сосудистых гладкомышечных клетках транслокация Cav1 из кавеол на домены мембран, не связанными с кавеолам, необходима для активации ERK kinase, индуцируемой циклическими растяжениями [53]. Такая транслокация, скорее всего, соответствует высвобождению свободного Cav1 [17]. Более того, хроническое воздействие на эндотелиальные клетки аорты телят ламинарного стресса от трения ведет к инактивации ERK и активации Akt только после транслокации Cav1 из комплекса Гольджи в плазматическую мембрану [24]. Др. сигнальные молекулы, которые модулируются с помощью механических стрессов и кавеол, включают Src family kinases [54], Rho и Rac small GTPases [29], eNOS [55], calcium [56] и MAP kinases [57].
Имеется несколько не исключающих др. др. механизмов, с помощью которых уплощение кавеол может модулировать передачу сигналов механических сигналов. Cav1 содержит специфический домен, наз. Caveolin Scaffolding Domain (CSD), чтобы облегчать взаимодействие и организацию сигнальных молекул внутри кавеол (Figure 2). Роль CAV1 CSD в сигнальной трансдукции впервые предположена для регуляции eNOS. Пептиды миметики показывают, что взаимодействие eNOS с CAV1 CSD ведет к инактивации eNOS in vivo 58,59. Важные аминокислоты внутри CSD необходимы для связывания eNOS и негативной регуляции, были недавно идентифицированы [60]. Cav1 CSD, как полагают, формирует in-plane амфипатическую спираль, погруженную внутрь мембраны собираемой кавеолы [61]. Следовательно, связывание сигнальных молекул с Cav1 CSD в кавеолах д. приводить к инактивации, тогда как соединение с Cav1 CSD вне кавеол д. активировать передачу сигналов (Figure 2). Происходит ли взаимодействие др. сигнальных молекул с Cav1 с помощью того же самого механизма, пока неясно.

Figure 2. Molecular and cellular consequences of caveolar flattening induced by mechanical stress. Under resting conditions, caveolae are mostly budded at the plasma membrane. On acute mechanical stress (hypo-osmotic swelling or stretching), caveolae flatten out in the plasma membrane to provide additional membrane and buffer membrane tension. Caveolar flattening releases Cav1 and Cavin-1 from the caveolar structure, increasing the amount of freely diffusing Cav1 and Cavin-1 at the plasma membrane. On the removal of the force, Cavin-1 and Cav1 rapidly reassemble into caveolae in an ATP-dependent process. This cycle represents the primary cell response to acute mechanical stress [17]. Non-caveolar Cav1 is likely to be internalized by a clathrin-independent pathway that remains to be characterized. Endocytosed Cav1 becomes detectable in late endosomes (LE) and lysosomes, where it is degraded [72]. It can also accumulate in the recycling endosome [97]. Whether Cav1 and Cavin-1 follow identical intracellular routes after their release from caveolae by mechanical stress is unknown. It is possible that the endosomal (black arrows) and Golgi (orange arrow) pools of Cav1 are solicited during prolonged shear stress when the caveolar density is increased several-fold at the plasma membrane 24, 25 and 30. Another possibility is that the released Cavins (green arrow) activate cellular processes to induce caveolar biogenesis, thereby increasing membrane reservoir size. Caveolar flattening can modulate mechanosignaling by several non-mutually exclusive mechanisms (lightning arrows). Released Cav1 and Cavins may interfere with the organization and dynamics of membrane microdomains and associated signaling molecules at the plasma membrane and endosomes. Gene transcription may be activated as a result of the nuclear translocation of released Cavins. Magnification shows insertion of Cav1 and the Cav1 scaffolding domain (CSD) into the caveolar structure. The Cav1 CSD is a conserved peptide sequence (DGIWKASFTTFTVTKYWFYR, amino acids 82-101) that mediates protein-protein interactions through a caveolin-binding domain comprising an aromatic-rich sequence FXFXXXXFXXF (where F is an aromatic residue) found in several signaling partners. The Cav1 CSD would form an in-plane amphipathic helix buried within the membrane in assembled caveolae [61]. Seminal in vivo studies on eNOS signaling proposed a model in which binding to the Cav1 CSD in caveolae leads to inactivation, whereas binding to non-caveolar Cav1 CSD activates signaling 58, 59 and 60. Many signaling molecules including several receptor and non-receptor tyrosine kinases and their downstream effectors, adenyl cyclase, G protein-coupled receptors, and various kinases such as PI3K, PKC, MAPK and ERK have been shown to interact with the Cav1 CSD in vitro[88]. Whether the eNOS model can be applied to their activation/inactivation cycle in vivo remains to be demonstrated.

Роль не-кавеолярного Cav1 остается неизвестной. Находки, что ассоциация Cavin-1 с Cav1 необходима для сборки кавеол подчеруивает роль Cav1 вне кавеол, которая не зависит от кавеол [43]. Некоторые типы нейронов, которые не содержат кавеол, экспрессируют Cav1 и/или белки. взаимодействующие с Cav1, а мыши с делецией CAV1 обнаруживая более высокую нейрональную дифференцировку62-63. первоначальные исследования были неспособны обнаруживать Cav1 и кавеолы в лимфоцитах [64]; однако, B лимфоциты экспрессируют Cav1 [65]. Экспрессия Cav1 может быть связана с активацией клеток крови, поскольку Cav1 экспрессируется также во взрослых Т-клеточных лейкемических клеточных линиях [66]. Более того, резистентность T лимфомы к воздействию interferon alpha связана с экспрессией Cav1 [67]. Эти данные подтверждают модель, согласно которой non-caveolar и кавеолярный Cav1 обладают разными функциями.
Экспрессия Cav1 на низких уровнях ведет к сборке стабильных олигомеризованных Cav1 микродоменов или каркасов68,69. Размер и количество Cav1 молекул, присутствующих в этих каркасах неизвестны, но предыдущие исследования показали, что минимум 15 Cav1 молекул необходимо для сборки стабильных SDS-резистентных олигомеров in vitro и in vivo [70]. Cav1 каркасы не всегда ассоциированы с позитивной передачей сигналов, поскольку они могут ингибировать передачу сигналов EGFR, путем снижения его скорости диффузии в плазматической мембране [68]. Комбинация протеомики с subdiffraction-limit микроскопией подтвердили, что Cav1 каркасы структурно и функционально отличны от кавеол [71]. Cav1 может поэтому существовать в виде трех разных ипостасей в плазматической мембране: кавеолярного Cav1, non-caveolar Cav1 каркасов и одиночных Cav1 молекул (Figure 2). В стационарном состоянии количество свободного Cav1, присутствующего в плазматической мембране очень низкое или даже необнаружимо17,43,46,72. При механическом стрессе, однако, измерения с помощью TIRF-FRAP микроскопии выявили трехкратное увеличение свободно диффундирующих Cav1 [17]. Высвобождение Cavin-1 также может вмешиваться в динамику Cav1 каркасов, поскольку нокдаун Cavin-1 ведет к более высокой латеральной подвижности Cav1 [43]. Уплощение кавеол также ведет к перераспределению glycosphingolipids в клеточной мембране, процесс, который, скорее всего, модулирует вызываемую растяжением передачу сигналов [73]. Кавеолы, следовательно, составляют резервуар молекул Cav1 (в среднем 150-200 Cav1 на кавеолу) и липидов, которые могут высвобождаться, чтобы контролировать передачу механических сигналов при физиологических и патологических условиях. Cav1 может быть фосфорилирован по tyrosine 14 (pY14) или serine 80 в ответ на разные стимулы. pY14 Cav1 участвует в организации каркасов, ассоциированных с фокальными адгезиями [12]. Роль фосфорилирования Cav1 не была изучена во время механических стрессов. Сходным образом, роль фосфорилирования Cavin-1 по serine неизвестна в этом контексте [48].
Др. механизм, с помощью которого уплощение кавеол может контролировать механотрансдукцию, это высвобождение транскрипционных факторов. В эндотелиальных клетках, сдвиговое напряжение (shear stress, может активировать транскрипционные факторы, такие как AP-1, NF-κB, Sp-1 и Egr-1, которые, в свою очередь, индуцируют гены, кодирующие факторы, которые модулируют структуру и функцию сосудов [74]. FLIM-FRET микроскопия выявила, что уплощение кавеол также ведет к быстрой диссоциации Cavin-1 от Cav1 [17] (Figure 2). Cavin-1 был первоначально назван Pol I and transcript release factor (PTRF) и был обнаружен как усиливающий транскрипцию рибосомальных генов [75]. Cavin-1 высвобождается из кавеол и может поэтому модулировать передачу клеточных сигналов путем цитозольных взаимодействий или транслокации в ядро и активации генов (Figure 2). В противоположность острому осмотическому шоку или растяжению, хронические сдирающие усилия увеличивают количество кавеол в плазматической мембране в несколько раз24,25,30. Это может быть связано с повышением синтеза Cav1 благодаря зависимой от Cavin-1 активации ядерного гена. Контролируют ли др. Cavin члены транскрипцию генов путем транслокации в ядро, неизвестно. Недавно было подтверждено, что Cav2 может вступать в ядро и активировать транскрипционные события76,77. Т.о., разборка кавеол, инициируемая механическими стрессами, ведет к повышению синтеза Cav1 посредством транскрипции гена, увеличивая тем самым размер кавеолярного резервуара в плазматической мембране.

Caveolae and trafficking under mechanical stress


Зависимая от кавеол передача механических сигналов может быть также модулирована посредством трафика высвобождаемых Cavins и Cav1 в эндосомной сети. При стационарном режиме немногие кавеолы подвергаются эндоцитозу [16], это совместимо с поддержанием стабильного мембранного резервуара. В соответствии с нарушением эндоцитоза при высоком натяжении мембран [39], Cav1 не подвергается эндоцитозу во время нескольких минут осмотического стресса [17]. При продолжительном стрессе др. регуляторы, такие как актиновый цитоскелет [17], и доставка дополнительных мембран посредством экзоцитоза, возможно замещают кавеолы. Судьбы избытка свободного Cav1 в плазматической мембране неизвестна. Однако исследования, анализирующие внутриклеточный трафик Cav1 в условиях, которые способствуют избытку non-caveolar Cav1 в плазматической мембране, подтверждают, что он подвергается эндоцитоз43,72 (Figure 2).

Stress-related caveolinopathies


Некоторые болезни человека ассоциируют с дефицитом функции кавеол (Table 1). Здесь мы остановимся на двух патологиях, которые могут быть связаны с дефектами обеспечиваемых кавеолами механическими реакциями клеток. Muscular dystrophies (MDs) являются группой разнообразных генетических нарушений, вызывающих прогрессирующую слабость и дегенерацию скелетных мышц [78]. Некоторые Cav3 мутации были описаны при MD человека, при которых часто обнаруживались ломкость мембран и/или дефекты репарации мембран79, 80. Cav3, клонирован в 1996, является принципиальным структурным белком кавеол в поперечно-полосатых (т.e., скелетные мышцы, диафрагма и сердце) и гладкомышечные клетки [81]. Cav3 располагается в клеточной плазматической мембране, где он формирует комплекс с glycoproteins и dystrophin, продуктом гена Duchenne muscular dystrophy (DMD) [82]. DMD, наиболее распространенная и тяжелая формы MD человека, связана с повышенной ломкостью мышечных мембран. Пациенты с DMD обнаруживают повышенные экспрессию Cav3 и количества кавеол [83]. Limb-girdle MD (LGMD) соответствует гетерогенной группе миопатий, ассоциированных с мутациями комплекса dysferlin, который обеспечивает репарацию мембран. Пациенты с LGMD1C имеют мутации в Cav3, которые, в противоположность DMD, ведут к существенной потере экспрессии Cav3 из-за аномального удержания в Гольджи и повышенной деградации [84]. Кроме того, Cav3 мутации были найдены при болезни дрожания мышц (rippling muscle), дистальной миопатии и семейной familial hyperCKemia (FHCK) [85]. Как dysferlin, так и dystrophin-glycoprotein комплекс оказались ассоциированы с Cav3 [78].
Роль кавеол при MD неясна и может быть возможно связана с образованием T-трубочек, гомеостазом кальция и связью с dysferlin или dystrophin-ассоциированными белками [85]. Большинство с MD ассоциированных Cav3 мутаций сохраняются в комплексе Гольджи, тем самым предупреждают сборку функциональных кавеол в плазматической мембране [8]. Возможно, что Cav3 мутации нарушают зависимое от кавеол восприятие механических сигналов и, как результат, возникают вариации в буферизации натяжения мембран во время циклов вытягивания и реляксации мышечных клеток. Измерения натяжения мембран у Cav3 P28L мутантов, выделенных от FHCK пациентов, подтверждают эту гипотезу. Т.о., FHCK мышечные трубки обнаруживают аномально повышенное напряжение мембран в ответ на осмотический шок и разрывы мембран [17]. Новые исследования с комбинацией физики мембран и получения изображений высокого разрешения позволят выяснить происходит ли и как нарушается кавеолярное mechanosensing при LGMD и DMD. Стоит отметить, что мутации, затрагивающие Cavin-1, также приводят к MDs86,87. Существуют ли сходные мутации в специфичном для мышц Cavin-4 пока неизвестно.
Рак является др. патологией, при которой кавеолы могут играть роль благодаря своим функциям mechanosensing и mechanosignaling. Опухолевые ткани часто обладают повышенной жесткостью по сравнению с окружающей тканью. Это обусловлено как повышением ригидности стромального микроокружения (напр., фибробластов, кровеносных сосудов, внеклеточного матрикса) так и присущего увеличения натяжения мембран в опухолевых клетках [88]. Хотя этот аспект хорошо известен патологам, но остается плохо изученным на молекулярном уровне. Недавние доказательства показали, что биомеханические факторы, такие как жесткость внеклеточного матрикса, ограниченная адгезивность или давление трения в сосудах могут критически повлиять на эволюцию опухоли89,90. Эпидемиологические, генетические, молекулярные и клинические данные совпадают, чтобы продемонстрировать, что кавеолы и/или Cav1 участвуют в некоторых процессах, связанных с ростом опухолей. Однако роль кавеол остается неясной, при этом исследования обнаруживают как онкогенные, так и опухоль супрессирующие функции в определенных типах опухолей91,92. Фактически, экспрессия Cav1 в клеточных раковых линиях человека и в образцах опухолей, по-видимому, зависит от типа и стадии опухоли [93]. Недавно, Cavin-1, -2 и -3 были найдены подавленными в клеточных линиях рака груди и в ткани рака молочных желез [94]. Возможно, что зависимый от механических сил цикл разборки и повторной сборки кавеол будет затрагиваться клеточным микроокружением, при этом увеличивается натяжение и ригидность мембран, так как это происходит с раковыми и стромальными клетками во время массовой прогрессии опухоли [95]. Однако роль кавеол в буферизации механических сил и в механотрансдукции в солидных опухолях не была изучена.
Кроме этих двух хорошо исследованных примеров др. патологии, такие как легочная гипертензия и гипертрофия гладких мышц желчного пузыря обнаруживают связанные с caveolin нарушения (Table 1). Можно предположить, что дефекты Cav1 и Cavin-1, описанные в эндотелиальных и мышечных клетках этих пациентов д. приводить к нарушениям реакций, связанных с кавеолами, на механические стрессы. Мутации Cavin-1 и Cav1 оказались также ассоциированными с тяжелыми lipodystrophies (Table 1). В то время как альтерации классической роли кавеол в липидном трафике и метаболизме могут объяснить эти нарушения, возможные дефекты в mechanosensing также должны учитываться, особенно в адипоцитах, в которых наблюдаются липидами обусловленные набухания. В этом контексте, высокий уровень холестерола, присутствующий в кавеолах также может вносить вклад в их механику. Дальнейший анализ необходим, чтобы понять перераспределяется ли холестерол из мобильных Cav1 или сохраняется в уплощенном домене в ответ на механические стрессы.

Concluding remarks


For several decades, caveolae have remained as mysterious plasma membrane invaginations associated with numerous functions as diverse as cell signaling, lipid metabolism, cell migration, mitosis and cell adhesion. New mechanistic and imaging approaches have recently unveiled a key role of these specialized membrane domains in the cell mechanical response. Whether caveolar flattening is significant in cells chronically subjected to mechanical constraints or more discrete during localized membrane tension variations, the ensuing on/off cycle of caveolar disassembly/reassembly will probably affect several of the functions that have been assigned to caveolae over the years. One such function is signaling. The extent of caveolar flattening will condition the mechanotransducing activity within the various contexts in which cells experience short or prolonged and reversible or permanent mechanical constraints. It is now important to revisit the cellular functions of caveolae through this new mechanosensing role and to understand how the multiple functions of caveolae are integrated with the diversity of the mechanical cell response in physiological and pathological contexts.

Glossary


Cavins: a recently identified family of four cytosolic proteins with related function and sequence homology that interact with Cav1. The family includes polymerase I and transcript release factor (PTRF or Cavin-1), serum deprivation protein response (SDPR or Cavin-2), sdr related gene product that binds to C-kinase (SRBC or Cavin-3) and muscle-restricted coiled-coil protein (MURC or Cavin-4). Cavins are 31–47 kDa in molecular weight and constitute large, heteroligomeric complexes that associate with and stabilize assembled caveolar scaffolds at the plasma membrane. Under-expression of Cavins leads to caveolar disassembly and Cav1 degradation [96].
Membrane elasticity: the ability of the membrane to increase its surface area under tension in a reversible manner. Starting from a smooth lipid bilayer (i.e., without undulations or corrugations), the elasticity is quantified by the area expansion modulus, Ka, which is defined by
(I) s=KaΔА /A
where s is the in-plane tension and ΔА /A is the change in area induced by stress starting from a membrane at zero tension. Ka slightly depends on the lipid composition, but is typically approximately 200 mN/m. Membrane lysis occurs at a tension of approximately 1–10 mN/m, which corresponds to a maximal area strain of ΔА /A~5%.
Nanotube (or tether) assay: a biophysical assay that allows the measurement of cell plasma membrane tension. Membrane tethers are formed from the cell surface using adhesive microbeads, which are trapped and manipulated with optical tweezers. The force required to maintain the nanotube is derived from the position of the particle with respect to the center of the optical trap. The membrane tension is directly proportional to the square root of the tether force. Any change in the tether force thus reflects a change in the plasma membrane tension.
Plasma membrane tension: a force per unit length (usually in mN/m) or, equivalently, an energy per unit area (in mJ/m2) that represents the amount of energy required to form the closed cellular interface between cell interior and exterior. It has two components: the in-plane tension in the lipid bilayer and the adhesion energy between the membrane and the underlying cytoskeleton.
Stress: by definition, a measure of the internal force per unit area of a strained body. By extension, the term stress is also simply used to describe the mechanical perturbation leading to the generation of stress within the body. For cells, three types of mechanical perturbations are generally considered: (i) osmotic swelling or shrinkage leading to a purely tensile or compressive stress for which the exerted force is normal to the membrane (respectively outwards or inwards); (ii) hydrodynamic flow, which creates a shear stress arising from the drag force applied parallel to the cell surface; and (iii) stretching, leading to a combination of tensile and shear stress.
Сайт создан в системе uCoz