Una introducción a endocitosis y exocitosis

Cell Biology
 

Summary

Las células pueden tomar sustancias del medio extracelular por endocitosis y activamente liberar moléculas en ella por exocitosis. Tales procesos incluyen sacos de membrana-limite de lípidos llamados vesículas. Conocimiento de la arquitectura molecular y mecanismos de ambos son clave para entender la fisiología normal de la célula, así como los Estados de enfermedad que ocurren cuando se vuelven defectuosos.

Este video primero revisaremos brevemente algunos descubrimientos fundamentales en la historia de la investigación de endo - y exocitosis. A continuación, algunas claves se examinarán cuestiones, seguida por una discusión de los métodos importantes para investigar estos problemas, incluyendo etiquetado celular, ensayos de fusión y proyección de imagen de fluorescencia. Por último, explorará la investigación actual está llevando a cabo por científicos en el campo hoy.

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JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología celular. Una introducción a endocitosis y exocitosis. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Vías endocíticas y exocíticas son críticas para la supervivencia celular, homeostasis celular y función del tejido. Sencillamente, la endocitosis es el proceso que utiliza una célula para tomar en las moléculas del espacio extracelular por plegamiento de su membrana alrededor de él y formando una vesícula. Exocitosis es el proceso inverso, las vesículas que liberan sustancias al espacio extracelular. Estos procesos se han sugerido para desempeñar un papel fundamental en la secreción de la hormona, internalización de receptores de membrana, inmersión de patógeno y comunicación neuronal.

Hoy, a recorrer algunos de los descubrimientos de hito en el campo de la endocitosis y exocitosis, destacar algunas de las preguntas sin respuesta, métodos notable característica que se utilizan hoy en día, y por último, explorar algunos experimentos específicos realizados para comprender mejor estos procesos.

Vamos a revisar algunos de los descubrimientos trascendentales que condujeron a la comprensión actual de endocitosis y exocitosis.

La primera documentación que se relaciona con endocitosis puede asignarse a 1882, cuando Ilya Metchnikov, utilizando un microscopio de luz, observó que las células específicas envolvió a patógenos invasores. Llamó a este proceso "la fagocitosis," donde las células engullen patógeno vía formación de vesícula. Casi medio siglo más tarde, en 1931, Warren Lewis observó un proceso similar de formación de la vesícula cuando las células en el líquido. Llamó a este comportamiento "pinocitosis".

Más tarde en 1953, George Palade, al examinar la organización estructural y funcional de la célula, descubrió "cueva-como" invaginaciones de las membranas y los llamaron caveolas. Él infiere que debe ser necesarias para la toma de la célula. Poco después, en 1955, Premio de Nobel Christian de Duve acuñó la endocitosis del término, que incluía "fagocitosis" y "pinocitosis". Sin embargo, la historia de endocitosis no encima todavía.

En 1975, Michael Brown y Joseph Goldstein, con microscopia electrónica experto Richard Anderson, observada que cuando la lipoproteína de baja densidad, o LDL, se une a su receptor de superficie celular, conduce a la formación de "hoyos recubiertos". Luego se internalizan estos hoyos y receptores del endocytose LDL. Esto fue el descubrimiento del tercer tipo, llamado "endocytosis receptor-mediado." En el mismo año, Barbara Pearse aisló la proteína de la capa principal, una molécula de triskelion y nombrado como clatrina. Por lo tanto, este proceso también se llama "endocytosis clathrin-mediado."

Fue todo en cuanto a endocitosis. Ahora vamos a discutir cómo aprendimos acerca de exocitosis. En 1980, el grupo de Randy Schekman generado mutantes de levadura secreción deficiente, y revelaron la presencia de genes críticos que codificados para proteínas necesarias para la exocitosis.

En 1993, James Rothman identificado algunas de estas proteínas y según su naturaleza química fueron llamados trampas. En su seminal, "Hipótesis de la trampa," propuso que estas estructuras helicoidales gancho a otras, haciendo que las membranas se acerquen con fuerza suficiente como para fundir y generar exocitosis.

Al mismo tiempo, Thomas Südhof estableció que este proceso fue también fuertemente controlado en las neuronas por proteínas sensoras del calcio llamadas synaptotagmins que fomentó y con precisión tiempo de fusión de la vesícula para la liberación de neurotransmisor. Juntos, estos científicos recibieron el Premio Nobel en 2013.

A pesar de la amplitud de estos descubrimientos, siguen siendo muchos rompecabezas intrigantes. Echemos un vistazo a algunas de las preguntas que se están estudiando hoy en día.

Los científicos están empezando a preguntar cómo las funciones de endocitosis y exocitosis van más allá de adquirir y secretar sustancias. ¿Por ejemplo, cómo son continuamente liberados por las vesículas de neurotransmisores fusión a la membrana celular sin una catastrófica expansión del tamaño de la célula? Tratan de identificar las señales que provocan las células internalizar la membrana, con el fin de compensar la expansión y reciclar recursos.

Otro tema interesante es: ¿qué componentes conforman la sofisticada maquinaria molecular que impulsa estos procesos? Por ejemplo, la fagocitosis exige deformaciones de la membrana grande para rodear los patógenos invasores. Los científicos están investigando cómo citoesqueleto proteínas como actina contribuyen a membrana espectacular remodelación.

Por último, puesto que la exocitosis y endocitosis aberrante pueden resultar en enfermedades graves, los científicos están interesados en entender qué causa esta disregulación. Una de las proteínas siendo examinadas es α-sinucleína, cuya secreción de las neuronas se ha implicado en la muerte progresiva de las neuronas cercanas. Entender su exocitosis podría proporcionar información valiosa en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson.

Ahora que nos hemos considerado algunas de las preguntas clave que se está investigadas, vamos a ver qué herramientas están disponibles para responderlas.

Los investigadores utilizan un ensayo de Biotinilación de células endocitosis de proteínas de la superficie de la célula de seguimiento. Este proceso implica una proteína superficial con biotina fluorescencia etiquetada de etiquetado y luego permitiendo que la célula a endocitosis. Esto puede ser seguido por análisis inmune de la mancha, revelando la internalización de proteínas.

Para cuantificar la vesícula neuronal reciclaje, muchos científicos etiqueta células con moléculas fluorescentes específicos de membrana, como tintes de FM. Estos colorantes se unen estable al prospecto externo y sólo son internalizados por endocitosis. Después de estimulación secuencial, son exocytosed. Analizando el lanzamiento con un microscopio de fluorescencia permite la penetración más profunda en todo el proceso de reciclaje.

A menudo, para manipular y comprender las contribuciones de los componentes que permiten la exocitosis, los científicos establecer ensayos de fusión. Dos conjuntos de vesículas con contenido distinto colorante fluorescente están preparados y entrar juntos. Fusión entre ellos resulta en la formación de un nuevo producto, que puede ser controlado usando un lector de microplacas.

Por último, sofisticados métodos de imagen, incluyendo fluorescencia la proyección de imagen y de la fluorescencia vive la proyección de imagen de la célula, presentan a los investigadores una oportunidad única para las estructuras morfológicas de imagen y eventos moleculares de endocitosis y exocitosis.

Finalmente, Veamos algunas maneras específicas en que los científicos están implementando estas herramientas en los laboratorios de hoy.

Biólogos de la célula están interesados en estudiar cómo exocitosis ayuda a sanar las membranas lesionadas. Aquí, los investigadores primero habían herido células en solución de tintes FM haciendo rodar los granos de cristal sobre ellos. Proyección de imagen de fluorescencia posterior muestra que si la tasa de exocitosis es rápida, rápidamente sellar la membrana y deje de FM que se escapa en la célula. Cuando exocitosis es lento, resulta amplia tinción intracelular de FM.

Investigadores pueden utilizar ensayos de fusión para el aporte de proteínas de fusión específica del modelo. Aquí, los investigadores expresan proteínas de la membrana asociada a vesículas diferentes o "VAMPs", que son proteínas SNARE, en la superficie de dos grupos de células. La fusión entonces fue permitida tomar lugar, y el resultado fue cuantificado usando un espectrómetro. Usando esta configuración, los científicos pudieron comparar las eficacias de la fusión de varios VAMPs.

Por último, los investigadores aspiran a comprender la endocitosis de receptor de superficie celular en respuesta a un fármaco. Aquí, los científicos trataron etiquetas fluorescencia células con una droga, y receptor visualizado medicados endocitosis ocurre en tiempo real utilizando microscopía de Time-lapse.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a endocitosis y exocitosis. En este video, revisamos los puntos históricos a partir del descubrimiento de la fagocitosis a la definición de los mecanismos de liberación de neurotransmisor. A continuación, presentamos algunas preguntas claves que piden. También exploran estrategias de investigación prominentes y discuten algunas de sus aplicaciones actuales. ¡Como siempre, gracias por ver!

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