$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Handel pęcherzykowy odgrywa ważną rolę w utrzymaniu tożsamości i funkcji organelli w komórkach eukariotycznych i jest kluczowym mechanizmem regulującym skład białek i błon poszczególnych kompartmentów komórkowych. Na błonie plazmatycznej fuzja pęcherzyków egzocytarnych dostarcza nowe białka i błony na powierzchnię komórki, podczas gdy pęcherzyki generowane przez endocytozę usuwają błonę i białka z powierzchni w celu późniejszego recyklingu lub skierowania do lizosomu. Dlatego endocytoza jest ważna dla pobierania składników odżywczych i odpowiedzi na środowisko zewnątrzkomórkowe. Egzocytoza i endocytoza są zrównoważone, aby regulować powierzchnię błony plazmatycznej i umożliwić obrót uszkodzonych białek.
Badania na komórkach drożdży i ssaków zidentyfikowały dużą liczbę białek zaangażowanych w endocytozę, a także wiele szlaków endocytarnych, które promują internalizację określonych ładunków lub działają w odpowiedzi na różne warunki środowiskowe. Najlepiej zbadanym szlakiem jest endocytoza za pośrednictwem klatryny (CME), w której klatryna i cytozolowe białka pomocnicze łączą się w strukturę płaszcza, aby ustabilizować powstający pęcherzyk endocytarny. Eksperymenty na pączkujących drożdżach Saccharomyces cerevisiae dostarczyły kluczowych informacji na temat dynamiki i kolejności rekrutacji wielu białek endocytarnych1-3. Warto zauważyć, że maszyneria CME jest wysoce konserwatywna w drodze ewolucji, tak że większość białek związanych z CME w drożdżach ma ludzkie ortologi; W związku z tym pączkujące drożdże są ważnym narzędziem do zrozumienia mechanizmów endocytozy, które są konserwatywne u wyższych eukariontów. Na przykład badania z użyciem drożdży pączkujących wykazały, że tworzenie i dojrzewanie struktur CME (określanych jako korowe łaty aktynowe u drożdży) obejmuje sekwencyjną rekrutację wielu białek, zaczynając od klatryny i białek adaptorowych wiążących ładunek, a następnie rekrutację dodatkowych białek akcesoryjnych endocytarnych, aktywację polimeryzacji aktyny za pośrednictwem Arp2 / 3 i rekrutację białek zaangażowanych w rozszczepienie pęcherzyków1,2. Rekrutacja białek maszynowych CME do korowych łat aktynowych jest wysoce uporządkowanym i stereotypowym procesem, a dokładna kolejność rekrutacji dla wielu białek została ustalona w odniesieniu do innych składników maszynerii CME. Co ważne, ostatnie badania potwierdziły podobną kolejność rekrutacji białek CME w dołach pokrytych klatryną w komórkach ssaków4.
Oprócz CME, wiele typów komórek posiada jeden lub więcej niezależnych od klatryny szlaków endocytarnych (CIE), które polegają na alternatywnych mechanizmach sprzyjających tworzeniu pęcherzyków i internalizacji z błony plazmatycznej5-7. U drożdży niedawno zidentyfikowaliśmy szlak CIE, który wykorzystuje małą GTPazę Rho1 i jej aktywujący czynnik wymiany nukleotydów guaninowych (GEF), Rom18,9. Rho1 aktywuje forminę Bni1 w celu promowania polimeryzacji aktyny10,11, która jest wymagana w tej postaci endocytozy niezależnej od klatryny u drożdży12. Co więcej, rodzina białek α-aresztyny rekrutuje ligazę ubikwityny Rsp5 w celu promowania ubikwitynacji ładunku i późniejszej internalizacji przez CME13-17, a także promuje internalizację ładunku za pośrednictwem szlaku CIE, prawdopodobnie poprzez bezpośrednią interakcję z białkami zaangażowanymi w CIE18. W komórkach ssaków istnieje również wiele szlaków CIE, w tym szlaki niezależne od klatryny i fagocytarne, które opierają się na ortologu Rho1, RhoA9,19. Rola RhoA w CIE u ssaków jest słabo poznana; w związku z tym badania na pączkujących drożdżach mogą dostarczyć dodatkowych informacji mechanistycznych, które mają zastosowanie do CIE u ssaków.
Dokładna kwantyfikacja zdarzeń endocytarnych może dostarczyć ważnych informacji na temat ról określonych białek w regulacji endocytozy i może ujawnić wpływ mutacji na internalizację ładunku lub progresję przez szlak endocytarny. W tym celu można wykorzystać metody biochemiczne do monitorowania wychwytu ligandów lub do pomiaru szybkości degradacji białek ładunku endocytarnego. W żywych komórkach fuzja białka zielonej fluorescencji (GFP) i jego wariantów z ładunkami będącymi przedmiotem zainteresowania umożliwia bezpośrednią wizualizację transportu ładunków. Jednak ładunki znakowane GFP mają ograniczone zastosowanie do ilościowego oznaczania endocytozy, ponieważ GFP jest odporny na degradację w lizosomie (lub wakuoli w drożdżach). Co więcej, fluorescencja GFP jest tylko częściowo wrażliwa na zmiany pH i pozostaje wykrywalna w świetle wakuoli20,21. W związku z tym fluorescencja znacznika GFP utrzymuje się w wakuoli długo po degradacji pozostałej części ładunku, a kwantyfikacja intensywności ładunku na podstawie całych komórek może być niedokładna ze względu na długotrwałą fluorescencję GFP w wakuoli.
Aby przezwyciężyć wady wakuolarnej fluorescencji GFP, poprzednio użyliśmy superekliptycznej pHluorin, wrażliwej na pH odmiany GFP, która fluoryzuje jasno przy neutralnym pH, ale traci fluorescencję w kwaśnym środowisku, takim jak światło wakuoli/lizosomu20,22,23. Umieszczenie znacznika pHluorin na ogonie cytoplazmatycznym ładunków endocytarnych umożliwia wizualizację ładunków na błonie plazmatycznej i na wczesnych endosomach, gdzie znacznik pHluorin pozostaje wystawiony na działanie cytoplazmy (ryc. 1A). W miarę dojrzewania wczesnych endosomów, endosomalny kompleks sortujący wymagany do transportu (ESCRT) pakuje zlokalizowane na powierzchni ładunki w pęcherzyki, które pączkują w świetle endosomu, tworząc ciała wielopęcherzykowe (MVB)24. W przypadku ładunków, które zostały włączone do wewnętrznych pęcherzyków MVB, znacznik pHluorin jest skierowany w stronę światła pęcherzyka. Wewnętrzne pęcherzyki MVB są zakwaszone; w ten sposób ładunki znakowane pHluoryną tracą fluorescencję na wczesnych endosomach, gdy dojrzewają do MVB20. Późniejsze połączenie MVB z wakuolą dostarcza zawartość światła MVB do degradacji, a znaczniki pHluorin pozostają stłumione w kwaśnym środowisku światła wakuoli.
Ten artykuł zawiera szczegółowe opisy ilościowych testów endocytarnych z użyciem ładunków z cytoplazmatycznymi znacznikami pHluorin w drożdżach. Szczepy wykazujące ekspresję ładunków znakowanych pHluoryną mogą być stosowane w testach kinetycznych i/lub końcowych, w zależności od właściwości i zachowania transportowego określonego ładunku. Ponadto niektóre ładunki znakowane pHluoryną są podatne na wysokoprzepustowe metody analizy, w tym cytometrię przepływową. Co ważne, znacznik pHluorin jest wszechstronnym narzędziem do badania zdarzeń endocytarnych w żywych komórkach, umożliwiając ilościowe określenie endocytozy i porównanie funkcji endocytarnej w szczepach typu dzikiego i zmutowanych.