Введение в эндоцитоз и экзоцитоз

Эндоцитарные и экзоцитарные пути имеют решающее значение для клеточного гомеостаза, функции тканей и общей выживаемости клеток. Проще говоря, эндоцитоз — это процесс, который клетка использует для поглощения молекул из внеклеточного пространства, сворачивая вокруг себя свою мембрану и формируя везикулу. Экзоцитоз – это обратный процесс, при котором везикулы высвобождают вещества во внеклеточное пространство. Предполагается, что эти процессы играют решающую роль в секреции гормонов, интернализации мембранных рецепторов, поглощении патогенами и нейронных коммуникациях.

Сегодня мы вернемся к некоторым знаковым открытиям в области эндоцитоза и экзоцитоза, выделим некоторые из оставшихся без ответа вопросов, представим известные методы, которые используются сегодня, и, наконец, рассмотрим несколько конкретных экспериментов, проведенных для лучшего понимания этих процессов.

Давайте вернемся к некоторым важным открытиям, которые привели к современному пониманию эндоцитоза и экзоцитоза.

Первые документы, связанные с эндоцитозом, можно отнести к 1882 году, когда Илья Мечников с помощью светового микроскопа заметил, что специфические клетки поглощают вторгшиеся патогены. Он назвал этот процесс «фагоцитозом», когда клетки поглощают патоген через образование везикул. Почти полвека спустя, в 1931 году, Уоррен Льюис наблюдал аналогичный процесс образования везикул, когда клетки впитывают жидкость. Позже

, в 1953 году, Джордж Палад, изучая структурную и функциональную организацию клетки, обнаружил «пещерообразные» инвагинации мембран и назвал их кавеолами. Он предположил, что они должны быть необходимы для приема клеток. Вскоре после этого, в 1955 году, лауреат Нобелевской премии Кристиан де Дюв ввел термин «эндоцитоз», который включал в себя «фагоцитоз» и «пиноцитоз».

В 1975 году Майкл Браун и Джозеф Голдштейн вместе с экспертом по электронной микроскопии Ричардом Андерсоном заметили, что когда липопротеины низкой плотности, или ЛПНП, связываются с рецептором клеточной поверхности, это приводит к образованию «покрытых ямками». В том же году Барбара Пирс выделила основной белок оболочки, молекулу трискелиона, и назвала его клатрином. Поэтому этот процесс также называется «клатрин-опосредованный эндоцитоз».

Вот и все, что касается эндоцитоза. Теперь давайте обсудим, как мы узнали об экзоцитозе. В 1980 году группа Рэнди Шекмана вывела мутантов дрожжей с недостатком секреции и обнаружила наличие критически важных генов, кодирующих белки, необходимые для экзоцитоза.

В 1993 году Джеймс Ротман идентифицировал некоторые из этих белков, и на основании их химической природы они были названы SNAREs. В своей основополагающей «гипотезе SNARE» он предположил, что эти спиральные структуры цепляются друг за друга, заставляя мембраны сближаться с достаточной силой для слияния и генерации экзоцитоза.

Примерно в то же время Томас Зюдхоф установил, что этот процесс также жестко контролируется в нейронах кальциевыми чувствительными белками, называемыми синаптотагминами, которые способствуют и точно синхронизируют слияние везикул для высвобождения нейротрансмиттеров. Вместе эти ученые были удостоены Нобелевской премии в 2013 году.

Несмотря на широту этих открытий, остается много интригующих головоломок. Давайте рассмотрим некоторые из вопросов, которые исследуются сегодня.

Ученые начинают задаваться вопросом о том, как функции эндоцитоза и экзоцитоза выходят за рамки приобретения и секреции веществ. Например, каким образом нейротрансмиттеры непрерывно высвобождаются везикулами, сливаясь с клеточной мембраной без катастрофического увеличения размера клетки? Они пытаются идентифицировать сигналы, которые заставляют клетки усваивать мембрану, чтобы компенсировать расширение и перерабатывать ресурсы.

Еще одна интересная тема: какие компоненты составляют сложный молекулярный механизм, который управляет этими процессами? Например, фагоцитоз требует больших деформаций мембраны для окружения вторгшихся патогенов. Ученые изучают, как цитоскелетные белки, такие как актин, способствуют резкому ремоделированию мембран.

Наконец, поскольку аберрантный эндоцитоз и экзоцитоз могут привести к серьезным заболеваниям, ученым интересно понять, что вызывает эту дисрегуляцию. Одним из тщательно изучаемых белков является α-синуклеин, секреция которого нейронами связана с прогрессирующей гибелью близлежащих нейронов. Понимание его экзоцитоза может дать ценную информацию о лечении нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые из ключевых вопросов, которые исследуются, давайте посмотрим, какие инструменты доступны для ответа на них.

Исследователи используют анализ биотинилирования клеток для отслеживания эндоцитоза белков клеточной поверхности. Этот процесс включает в себя мечение поверхностного белка флуоресцентно меченным биотином, а затем позволяет клетке подвергнуться эндоцитозу. За этим может последовать анализ иммунного блоттинга, выявляющий интернализацию белка.

Чтобы количественно оценить рециркуляцию нейрональных везикул, многие ученые помечают клетки мембраноспецифичными флуоресцентными молекулами, такими как FM-красители. Эти красители стабильно связываются с наружной листочкой и усваиваются только эндоцитозом. После последовательной стимуляции их экзоцитозируют. Анализ выбросов с помощью флуоресцентного микроскопа позволяет глубже понять весь процесс переработки.

Часто, чтобы манипулировать и понимать вклад компонентов, которые обеспечивают экзоцитоз, ученые устанавливают фьюжн-анализы. Два набора везикул с различным содержанием флуоресцентного красителя подготавливают и дают им соединиться. Слияние между ними приводит к образованию нового продукта, который можно контролировать с помощью считывателя микропланшетов.

Наконец, сложные методы визуализации, включая флуоресцентную визуализацию и флуоресцентную визуализацию живых клеток, предоставляют исследователям уникальную возможность визуализировать морфологические структуры и молекулярные события эндоцитоза и экзоцитоза.

Наконец, давайте рассмотрим некоторые конкретные способы, которыми ученые внедряют эти инструменты в лабораториях сегодня.

Клеточные биологи заинтересованы в изучении того, как экзоцитоз помогает заживлению поврежденных мембран. Здесь исследователи сначала повреждали клетки в растворе FM-красителей, катая по ним стеклянные шарики. Последующая флуоресцентная визуализация показывает, что если скорость экзоцитоза высокая, он быстро запечатывает мембрану и останавливает утечку FM в клетку. Когда экзоцитоз происходит медленно, это приводит к обширному внутриклеточному окрашиванию FM.

Исследователи могут использовать фьюжн-анализы для моделирования вклада конкретных гибридных белков. Здесь исследователи экспрессировали различные везикул-ассоциированные мембранные белки или «VAMP», которые являются белками SNARE, на поверхности двух пулов клеток. Затем было проведено слияние, и результат был количественно определен с помощью спектрометра. Используя эту установку, ученые смогли сравнить эффективность термоядерного синтеза нескольких VAMP.

Наконец, исследователи стремятся понять эндоцитоз рецепторов клеточной поверхности в ответ на лекарственное средство. Здесь ученые обрабатывали флуоресцентно помеченные клетки лекарственным препаратом и визуализировали эндоцитоз рецепторов, происходящий в режиме реального времени с помощью покадровой микроскопии.

Вы только что посмотрели введение JoVE в эндоцитоз и экзоцитоз. В этом видео мы рассмотрели исторические события, начиная с открытия фагоцитоза и заканчивая определением механизмов высвобождения нейромедиаторов. Далее мы представили несколько ключевых вопросов, которые мы задаем. Мы также рассмотрели основные исследовательские стратегии и обсудили некоторые из их текущих применений. Как всегда, спасибо за просмотр!