Uma Introdução à Endocitose e Exocistose

Vias endocíticas e exocíticas são críticas para a homeostase celular, função tecidual e sobrevivência celular geral. Simplificando, a endocitose é o processo que uma célula usa para receber moléculas do espaço extracelular dobrando sua membrana ao seu redor e formando uma vesícula. Exocitose é o processo inverso, que usa vesículas para liberar substâncias para o espaço extracelular. Esses processos têm sido sugeridos para desempenhar um papel crítico na secreção hormonal, internalização do receptor de membrana, engolfação de patógenos e comunicações neuronais.

Hoje, vamos refazer algumas das descobertas marcantes no campo da endocitose e exoctose, destacar algumas das perguntas sem resposta, apresentar métodos notáveis que são usados hoje e, por último, explorar alguns experimentos específicos realizados para entender melhor esses processos.

Vamos revisitar algumas das descobertas importantes que levaram ao entendimento atual da endocitose e exocitose.

A primeira documentação relacionada à endocitose pode ser mapeada até 1882, quando Ilya Metchnikov, usando um microscópio leve, observou que células específicas engoliam patógenos invasores. Ele chamou esse processo de "fagocitose", onde as células engolfam o patógeno através da formação de vesículas. Quase meio século depois, em 1931, Warren Lewis observou um processo semelhante de formação de vesículas quando as células tomaram fluido. Ele chamou esse comportamento de "pinocitose".

Mais tarde, em 1953, George Palade, enquanto examinava a organização estrutural e funcional da célula, descobriu invaginações "semelhantes a cavernas" das membranas, e as chamou de caveolae. Ele inferiu que estes devem ser necessários para a ingestão celular. Logo depois, em 1955, o ganhador do Nobel Christian de Duve cunhou o termo endocitose, que englobava "fagocitose" e "pedocitose". No entanto, a história da endocitose ainda não tinha acabado.

Em 1975, Michael Brown e Joseph Goldstein, com o especialista em microscopia eletrônica Richard Anderson, observaram que quando a lipoproteína de baixa densidade, ou LDL, se liga ao seu receptor de superfície celular, leva à formação de "poços revestidos". Estes poços são então internalizados, e receptores LDL endocitose. Esta foi a descoberta do terceiro tipo, chamado "endocitose mediada por receptores". No mesmo ano, Barbara Pearse isolou a proteína do casaco principal, uma molécula de triskelion, e a chamou de clathrin. Portanto, esse processo também é chamado de "endocitose mediada por clathrin".

Isso foi tudo sobre a endocitose. Agora vamos discutir como aprendemos sobre exocitose. Em 1980, o grupo de Randy Schekman gerou mutantes de levedura que eram deficientes de secreção, e revelou a presença de genes críticos que codificavam proteínas necessárias para exocitose.

Em 1993, James Rothman identificou algumas dessas proteínas, e com base em sua natureza química eles eram chamados SNAREs. Em sua "hipótese snare" seminal, ele propôs que essas estruturas helicoidais se conectassem umas às outras, fazendo com que as membranas se aproximassem com força suficiente para se fundir e gerar exocitose.

Na mesma época, Thomas Südhof estabeleceu que esse processo também era fortemente controlado em neurônios por proteínas de detecção de cálcio chamadas sinapstotagmins que promoviam e cronometravam com precisão a fusão de vesículas para liberação de neurotransmissores. Juntos, esses cientistas receberam o Prêmio Nobel em 2013.

Apesar da amplitude dessas descobertas, muitos quebra-cabeças intrigantes permanecem. Vamos dar uma olhada em algumas das perguntas que estão sendo exploradas hoje.

Os cientistas estão começando a perguntar como as funções da endocitose e excitose vão além de adquirir e segregar substâncias. Por exemplo, como os neurotransmissores são continuamente liberados por vesículas que se fundem à membrana celular sem uma expansão catastrófica do tamanho celular? Eles estão tentando identificar sinais que fazem com que as células internalizem a membrana, a fim de compensar a expansão e reciclar recursos.

Outro tópico interessante é: quais componentes compõem as máquinas moleculares sofisticadas que impulsionam esses processos? Por exemplo, a fagocitose requer grandes deformações de membrana para cercar patógenos invasores. Os cientistas estão investigando como proteínas citoesqueléticas como a actina contribuem para a remodelação dramática da membrana.

Por fim, uma vez que a endocitose aberrante e a exocitose podem resultar em doenças graves, os cientistas estão interessados em entender o que causa essa desregulação. Uma das proteínas que estão sendo examinadas é α-sinucleína, cuja secreção dos neurônios foi implicada na morte progressiva de neurônios próximos. Entender sua exocitese poderia fornecer insights valiosos sobre o tratamento de doenças neurodegenerativas como Parkinson.

Agora que consideramos algumas das principais questões que estão sendo investigadas, vamos ver quais ferramentas estão disponíveis para respondê-las.

Pesquisadores usam um ensaio de biotinilação celular para rastrear a endocitose de proteínas superficiais celulares. Este processo envolve rotular uma proteína superficial com biotina marcada fluorescente e, em seguida, permitir que a célula se submeta a endocitose. Isso pode ser seguido pela análise de manchas imunológicas, revelando a internalização da proteína.

Para quantificar a reciclagem de vesículas neuronais, muitos cientistas rotulam células com moléculas fluorescentes específicas da membrana, como corantes FM. Estes corantes se ligam firmemente ao folheto externo, e só são internalizados por endocitose. Após estimulação sequencial, eles são exocistosados. Analisar a liberação com um microscópio de fluorescência permite uma visão mais profunda de todo o processo de reciclagem.

Muitas vezes, para manipular e entender as contribuições de componentes que permitem a exocises, os cientistas criaram ensaios de fusão. Dois conjuntos de vesículas com distintos conteúdos de corante fluorescente são preparados e autorizados a se unir. A fusão entre eles resulta na formação de um novo produto, que pode ser monitorado usando um leitor de microplacão.

Por fim, métodos sofisticados de imagem, incluindo imagens de fluorescência e imagens de células vivas de fluorescência, apresentam aos pesquisadores a oportunidade única de imagens morfológicas e eventos moleculares de endocitose e exocitose.

Finalmente, vamos ver algumas maneiras específicas em que os cientistas estão implementando essas ferramentas em laboratórios hoje.

Biólogos de células estão interessados em estudar como a exocitose ajuda a curar membranas feridas. Aqui, os pesquisadores primeiro feriram células em solução de corantes FM rolando contas de vidro sobre elas. Imagens subsequentes de fluorescência mostram que se a taxa de exocitose for rápida, ela rapidamente selará a membrana e impedirá o vazamento de FM na célula. Quando a excitose é lenta, resulta em extensa coloração FM intracelular.

Os pesquisadores podem usar ensaios de fusão para modelar a contribuição de proteínas específicas de fusão. Aqui, os pesquisadores expressaram diferentes proteínas de membrana associadas à vesícula ou "VAMPs", que são proteínas SNARE, na superfície de duas piscinas de células. A fusão foi então permitida, e o resultado foi quantificado usando um espectrômetro. Usando essa configuração, os cientistas foram capazes de comparar a eficiência de fusão de vários VAMPs.

Por fim, os pesquisadores pretendem entender a endocitose do receptor de superfície celular em resposta a uma droga. Aqui, os cientistas trataram células fluorescentes com uma droga, e receptor visualizado medicado endocitose acontecendo em tempo real usando microscopia de lapso de tempo.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à endocitose e excitose. Neste vídeo, revisamos os destaques históricos a partir da descoberta da fagocitose à definição dos mecanismos de liberação de neurotransmissores. Em seguida, introduzimos algumas perguntas-chave que estão sendo feitas. Também exploramos estratégias de pesquisa proeminentes e discutimos algumas de suas aplicações atuais. Como sempre, obrigado por assistir!