Een inleiding tot endocytose en exocytose

Endocytische en exocytische paden zijn van cruciaal belang voor cellulaire homeostase, weefselfunctie en algemene celoverleving. Eenvoudig gezegd, endocytose is het proces dat een cel gebruikt om moleculen uit de extracellulaire ruimte op te nemen door zijn membraan eromheen te vouwen en een blaasje te vormen. Exocytose is het omgekeerde proces, dat blaasjes gebruikt om stoffen af te geven in de extracellulaire ruimte. Deze processen zijn voorgesteld om een cruciale rol te spelen bij hormoonafscheiding, internering van membraanreceptoren, opname van pathogenen en neuronale communicatie.

Vandaag zullen we enkele van de baanbrekende ontdekkingen op het gebied van endocytose en exocytose herzien, enkele van de onbeantwoorde vragen belichten, opmerkelijke methoden presenteren die tegenwoordig worden gebruikt en tot slot een paar specifieke experimenten verkennen die zijn uitgevoerd om deze processen beter te begrijpen.

Laten we enkele van de memorabele ontdekkingen herbezoeken die hebben geleid tot het huidige begrip van endocytose en exocytose.

De eerste documentatie met betrekking tot endocytose kan worden teruggevoerd tot 1882, toen Ilya Metchnikov, met behulp van een lichtmicroscoop, observeerde dat specifieke cellen binnendringende pathogenen opslokten. Hij noemde dit proces “fagocytose”, waarbij cellen pathogenen opnemen via blaasjevorming. Bijna een halve eeuw later, in 1931, observeerde Warren Lewis een soortgelijk proces van blaasjevorming toen cellen vloeistof opnamen. Hij noemde dit gedrag “pinocytose”.

Later in 1953 ontdekte George Palade, tijdens het onderzoek naar de structurele en functionele organisatie van de cel, “grot-achtige” invaginaties van de membranen en noemde ze caveolae. Hij concludeerde dat deze noodzakelijk moeten zijn voor celopname. Kort daarna, in 1955, bedacht Nobelprijswinnaar Christian de Duve de term endocytose, die “fagocytose” en “pinocytose” omvatte. Maar het verhaal van endocytose was nog niet af.

In 1975 observeerden Michael Brown en Joseph Goldstein, met elektronenmicroscopie-expert Richard Anderson, dat wanneer lagedichtheidslipoproteïne, of LDL, zich bindt aan zijn celoppervlaktereceptor, dit leidt tot de vorming van “gecoate putjes”. Deze putjes worden vervolgens geïnternaliseerd en endocytose LDL-receptoren. Dit was de ontdekking van het derde type, genaamd “receptorgemedieerde endocytose”. In hetzelfde jaar isoleerde Barbara Pearse het belangrijkste coatingeiwit, een triskelione molecuul, en noemde het clathrine. Daarom wordt dit proces ook wel “clathrinegemedieerde endocytose” genoemd.

Dat was alles over endocytose. Laten we nu bespreken hoe we over exocytose hebben geleerd. In 1980 genereerde de groep van Randy Schekman gistmutanten die secretiedeficiënt waren en onthulde de aanwezigheid van cruciale genen die codeerden voor eiwitten die nodig zijn voor exocytose.

In 1993 identificeerde James Rothman enkele van deze eiwitten en op basis van hun chemische aard werden ze SNARE's genoemd. In zijn baanbrekende “SNARE-hypothese” stelde hij voor dat deze helicoïdale structuren op elkaar aanhaakten, waardoor membranen met voldoende kracht dichterbij komen om te fuseren en exocytose te genereren.

Rond dezelfde tijd stelde Thomas Südhof vast dat dit proces ook strak werd gecontroleerd in neuronen door calcium-gevoelige eiwitten genaamd synaptotagminen die de nauwkeurige timing van blaasjesfusie voor neurotransmitterafgifte bevorderden en nauwkeurig tijdden. Samen werden deze wetenschappers in 2013 onderscheiden met de Nobelprijs.

Ondanks de omvang van deze ontdekkingen blijven er veel intrigerende puzzels. Laten we eens kijken naar enkele van de vragen die vandaag worden onderzocht.

Wetenschappers beginnen zich af te vragen hoe de functies van endocytose en exocytose verder gaan dan het opnemen en afscheiden van stoffen. Hoe worden bijvoorbeeld neurotransmitters continu vrijgegeven door blaasjes die fuseren met het celmembraan zonder een catastrofale uitbreiding van de celgrootte? Ze proberen signalen te identificeren die ervoor zorgen dat cellen membraan internaliseren om de uitbreiding te compenseren en bronnen te recyclen.

Een ander interessant onderwerp is: welke componenten maken deel uit van de geavanceerde moleculaire machinerie die deze processen aandrijft? Bijvoorbeeld, fagocytose vereist grote membraandeformaties om binnendringende pathogenen te omringen. Wetenschappers onderzoeken hoe cytoskeletaaleiwitten zoals actine bijdragen aan dramatische membraanremodellering.

Ten slotte, aangezien abnormale endocytose en exocytose ernstige ziekten kunnen veroorzaken, zijn wetenschappers geïnteresseerd in het begrijpen van wat deze dysregulatie veroorzaakt. Een van de eiwitten die onder de loep worden genomen is α-synucleïne, waarvan de secretie uit neuronen is geïmpliceerd in de progressieve dood van nabijgelegen neuronen. Het begrijpen van zijn exocytose zou waardevolle inzichten kunnen opleveren voor de behandeling van neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson.

Nu we enkele van de belangrijke onderzochte vragen hebben overwogen, laten we eens kijken welke hulpmiddelen beschikbaar zijn om ze te beantwoorden.

Onderzoekers gebruiken een celbiotinyleringstest om de endocytose van celoppervlakte-eiwitten te volgen. Dit proces omvat het labelen van een oppervlakte-eiwit met fluorescerend gelabelde biotine en vervolgens het toestaan dat de cel endocytose ondergaat. Dit kan worden gevolgd door immuunblotsanalyse, waardoor eiwitinternalisatie wordt onthuld.

Om de recycling van neuronale blaasjes te kwantificeren, labelen veel wetenschappers cellen met membraanspecifieke fluorescerende moleculen, zoals FM-kleurstoffen. Deze kleurstoffen binden stabiel aan het buitenste blad en worden alleen geïnternaliseerd door endocytose. Na sequentiële stimulatie worden ze exocytoseerd. Het analyseren van de afgifte met een fluorescentiemicroscoop geeft