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5.13: Rezeptorvermittelte Endozytose
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Receptor-mediated Endocytosis
 
PROTOKOLLE

5.13: Receptor-mediated Endocytosis

5.13: Rezeptorvermittelte Endozytose

Overview

Receptor-mediated endocytosis is a process through which bulk amounts of specific molecules can be imported into a cell after binding to cell surface receptors. The molecules bound to these receptors are taken into the cell through inward folding of the cell surface membrane, which is eventually pinched off into a vesicle within the cell. Structural proteins, such as clathrin, coat the budding vesicle and give it its round form.

Clathrin-Mediated Endocytosis of LDL

One well-characterized example of receptor-mediated endocytosis is the transport of low-density lipoproteins (LDL cholesterol) into the cell. LDL binds to transmembrane receptors on the cell membrane. Adapter proteins allow clathrin to attach to the inner surface of the membrane. These protein complexes bend the membrane inward, creating a clathrin-coated vesicle inside the cell. The neck of the endocytic vesicle is pinched off from the membrane by a complex of the protein dynamin and other accessory proteins.

The endocytic vesicle fuses with an early endosome, and the LDL dissociates from the receptor proteins due to a lower pH environment. Empty receptor proteins are separated into transport vesicles to be re-inserted into the outer cell membrane. LDL remains in the endosome, which binds with a lysosome. The lysosome provides digestive enzymes that break up LDL into free cholesterol that can be used by the cell.

Roles of Receptor-Mediated Endocytosis

There are multiple functions that endocytosis can serve. In the example above, endocytosis is used to take resources (LDL) into the cell. Similarly, iron is taken into the cell via endocytosis of transferrin—an iron-binding protein—at the cell surface, where it binds to the transferrin receptor (TfR). Similar to LDL endocytosis, a clathrin-coated vesicle is formed to bring the transferrin into the cell. In the early endosome, a pH decrease allows the dissociation of iron from transferrin. Transferrin, however, remains bound to the TfR. When the receptor is sent back to the cell surface to be reused, the transferrin protein (without iron) is released back into the extracellular environment.

Receptor-mediated endocytosis is also used to regulate cell signaling. One of the primary ways that signal receptors are regulated is sequestration, which involves bringing receptors inside the cell using endocytosis. Some receptors are stored within vesicles until they are needed again, and some are degraded by proteolytic enzymes. Other signaling pathways require receptor-mediated endocytosis to allow signal transduction (i.e., passing the signal into the cell) to take place.

Types of Receptor-Mediated Endocytosis

The endocytosis of LDL is an example of clathrin-mediated endocytosis. There are also alternative pathways for endocytosis, of which caveolin is the most-studied. Unlike clathrin, which binds to the surface, caveolin inserts itself into the lipid bilayer. The result is similar, however, as caveolin causes a curve in the membrane that allows an endocytic vesicle to form that pinches off from the membrane.

Use of Receptor-Based Endocytic Pathways by Pathogens

Some bacteria and viruses can invade host cells by hijacking the host’s native receptors. Influenza virus can invade host cells using clathrin-mediated and other endocytic pathways. The virus binds to receptors on the cell surface, gaining access to the host cell, where it later escapes from the endosome.

Some pathogens release toxins that bind to host receptors to trick the cell into taking them inside. The bacterium Bacillus anthracis produces the toxin known as anthrax; this toxin is capable of binding to receptors, undergoing endocytosis, and then escaping the late endosome to cause necrosis and other clinical symptoms.

Überblick

Die rezeptorvermittelte Endozytose ist ein Prozess, bei dem große Mengen spezifischer Moleküle nach der Bindung an Rezeptoren der Zelloberfläche, in eine Zelle eingeschleust werden können. Die an diese Rezeptoren gebundenen Moleküle werden durch die Einwärtsfaltung der Zelloberflächenmembran, die schließlich in ein Vesikel innerhalb der Zelle abgeklemmt wird, in die Zelle gebracht. Strukturproteine, wie z.B. Clathrin, umhüllen das knospende Vesikel und geben ihm seine runde Form.

Clathrin-vermittelte Endozytose von LDL

Ein gut charakterisiertes Beispiel für rezeptorvermittelte Endozytose ist der Transport von Lipoproteinen geringer Dichte (LDL-Cholesterin) in die Zelle. LDL bindet hierbei an Transmembranrezeptoren auf der Zellmembran. Adapterproteine ermöglichen die Anlagerung von Clathrin an die innere Oberfläche der Membran. Diese Proteinkomplexe biegen die Membran nach innen, so dass ein Clathrin-beschichtetes Vesikel im Inneren der Zelle entsteht. Der Hals des endocytischen Vesikels wird durch einen Komplex aus dem Protein Dynamin und anderen akzessorischen Proteinen von der Membran abgeklemmt.

Das endocytische Vesikel verschmilzt mit einem frühen Endosom und das LDL dissoziiert von den Rezeptorproteinen aufgrund eines niedrigeren pH-Milieus. Die leeren Rezeptorproteine werden in Transportvesikel aufgetrennt, die wieder in der äußeren Zellmembran genutzt werden können. Das LDL verbleibt im Endosom, das an ein Lysosom bindet. Das Lysosom liefert Verdauungsenzyme, die LDL in freies Cholesterin aufspalten, das von der Zelle verwertet werden kann.

Die Funktionen der rezeptorvermittelten Endozytose

Die Endozytose erfüllt gleich mehrere Funktionen. Im obigen Beispiel wird die Endozytose genutzt, um Ressourcen (LDL) in eine Zelle zu bringen. In ähnlicher Weise wird Eisen über die Endozytose von Transferrin, einem eisenbindenden Protein, an der Zelloberfläche in die Zelle gebracht. Dort bindet es an eine Transferrin-Rezeptor (TfR). Ähnlich wie bei der LDL-Endozytose wird ein clathrinbeschichtetes Vesikel gebildet, um das Transferrin in die Zelle zu transportieren. Im frühen Endosom ermöglicht eine pH-Absenkung die Dissoziation von Eisen aus dem Transferrin. Das Transferrin bleibt jedoch an das TfR gebunden. Wenn der Rezeptor zur Wiederverwendung an die Zelloberfläche zurückgeschickt wird, wird das Transferrin-Protein (ohne Eisen) wieder in die extrazelluläre Umgebung freigegeben.

Ebenfalls wird die rezeptorvermittelte Endozytose zur Regulierung der Zellsignale eingesetzt. Eine der wichtigsten Methoden zur Regulierung von Signalrezeptoren ist die Sequestrierung. Bei dieser werden Rezeptoren mit Hilfe der Endozytose in eine Zelle transportiert. Einige Rezeptoren werden in den Vesikeln gespeichert, bis sie wieder gebraucht werden, und einige werden durch proteolytische Enzyme abgebaut. Andere Signalwege erfordern eine rezeptorvermittelte Endozytose, damit die Signaltransduktion (d.h. die Weiterleitung des Signals in die Zelle) stattfinden kann.

< h4>Arten der rezeptorvermittelten Endozytose

Die Endozytose von LDL ist ein Beispiel für eine clathrin-vermittelte Endozytose. Es gibt auch alternative Möglichkeiten der Endozytose, von denen Caveolin die am meisten untersuchte ist. Im Gegensatz zum sich an die Oberfläche bindenden Clathrin fügt sich Caveolin in die Lipiddoppelschicht ein. Das Ergebnis ist jedoch ähnlich. Caveolin bewirkt eine Krümmung in der Membran, welche die Bildung eines endocytischen Vesikels ermöglicht, das sich von der Membran ablöst.

Verwendung rezeptorbasierter endocytischer Pfade durch Pathogene

Einige Bakterien und Viren können in die Wirtszellen eindringen, indem sie die Rezeptoren des Wirts entführen. Das Influenza-Virus kann in die Wirtszellen eindringen, indem es Clathrin-vermittelte und andere endocytische Wege nutzt. Das Virus bindet an Rezeptoren auf der Zelloberfläche und gelangt so in die Wirtszelle, wo es später aus dem Endosom entweicht.

Einige Erreger setzen Toxine frei, die sich an die Rezeptoren des Wirts binden, um die Zelle dazu zu bringen, sie in sich aufzunehmen. Das Bakterium Bacillus anthracis produziert das als Anthrax bekannte Toxin. Dieses Toxin ist in der Lage, an Rezeptoren zu binden, sich einer Endozytose zu unterziehen und dann dem späten Endosom zu entkommen. Dies löst später Symptome wie eine Nekrose aus.


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