БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2015, том 32, № 3, с. 151-167
= ОБЗОРЫ
УДК 576.3
ФОСФОИНОЗИТИД-ЗАВИСИМЫЕ ПРИМЕМБРАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ КЛЕТОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ
© 2015 г. Ю. Н. Орлов
Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова, НИЦ "Курчатовский институт",
188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща;
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29; электронная почта: y.orlov@rambler.ru Поступила в редакцию 20.01.2015 г.
Фосфоинозитиды — минорные фосфолипиды цитозольной поверхности мембран, участвующие в регуляции жизненно важных клеточных процессов, включая везикулярный транспорт, динамику цитос-келета и клеточную сигнализацию. Это участие выражается в способности контролировать внутриклеточную локализацию и активность различных цитозольных (периферийных) белков-эффекторов, обладающих фосфоинозитид-связывающими структурными доменами. Однако детальные молекулярные механизмы, посредством которых фосфоинозитиды (и, вероятно, другие фосфолипиды) могут участвовать в регуляции клеточных функций остаются предметом научных дискуссий. В представленном обзоре рассмотрены общие черты функционирования фосфоинозитидной системы как организатора и интегратора внутриклеточных событий.
Ключевые слова: метаболизм липидов, фосфоинозитиды, везикулярный транспорт, внутриклеточная сигнализация.
Б01: 10.7868/80233475515030068
ВВЕДЕНИЕ
Фосфоинозитиды — фосфорилированные производные фосфатидилинозитола, представляют собой липиды с различным числом фосфатных остатков в инозитольном кольце, включая, в различных комбинациях, моно-, ди- и три-фос-фопроизводные. Все формы фосфоинозитидов являются минорными компонентами мембран и различаются по внутриклеточной локализации и функциям.
Резкое изменение метаболизма фосфоинози-тидов (и фосфатидной кислоты) в срезах поджелудочной железы при стимуляции ацетилхоли-ном стало первым указанием на роль липидов как регуляторных интермедиатов [1]. Однако то, что изменение липидного метаболизма тесно связано с Са2+-сигнализацией, удалось установить только спустя 20 лет [2]. Последующие исследования выявили специфичную роль продуктов гидролиза фосфатидилинозитол-4, 5 -бисфосфата фосфоли-пазой С, диацилглицерина и инозитол-1,4,5-три-фосфата в регуляции протеинкиназы С и внутриклеточной концентрации Са2+ [3]. Кроме того, было установлено, что фосфоинозитиды вовлечены не только в сигнальные процессы, но и в вези-
кулярный транспорт и реорганизацию цитоске-лета [4—7].
Данный обзор не ставит перед собой задачи охватить все аспекты регуляторных функций фосфоинозитидов. Скорее, он направлен на выявление общих молекулярных событий, происходящих на поверхности клеточных компартментов (т.е. в примембранной области органелл), посредством которых фосфоинозитиды могут участвовать в регуляции клеточных функций.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНАХ ОРГАНЕЛЛ И ЛИПИДНАЯ АСИММЕТРИЯ БИСЛОЯ
Синтез липидов осуществляется в разных местах эукариотической клетки, и разными путями они доставляются к клеточным структурам, что и обуславливает неравномерное распределение липидов в мембранах органелл. Эндоплазматиче-ский ретикулум (ЭР) это основное место синтеза липидов de novo, где синтезируются большинство фосфолипидов, холестерин и его эфиры, а также триацилглицерины и церамиды — предшественники сфинголипидов [8].
В аппарате Гольджи происходит синтез сфин-гомиелинов, глюкозил- и лактозилцерамидов, а также глюкосфинголипидов [9]. В этой же орга-нелле путем декарбоксилирования фосфатидил-серина образуется фосфатидилэтаноламин [10], а последняя стадия синтеза фосфатидилхолина может осуществляться ферментами, локализованными как в Гольджи, так и в ЭР [11].
Примерно половина фосфолипидов мембран митохондрий синтезируется непосредственно в этой органелле. Прежде всего, это фосфатидная кислота, ее лизогенные формы, использующиеся в синтезе триацилглицеринов, а также фосфати-дилглицерин — предшественник митохондриаль-ного кардиолипина [12]. Как и в Гольджи, фосфа-тидилэтаноламин митохондрий образуется из фосфатидилсерина путем его декарбоксилирова-ния [10].
Плазматическая мембрана (ПМ) не является местом синтеза липидов de novo. В ней, однако, продуцируются липидные медиаторы посредством отщепления полярной части или жирно -кислотных цепей липидов, а также за счет реакций фосфорилирования/дефосфорилирования инозитол-содержащих липидов [13, 14].
В клеточных мембранах, за исключением мембраны ЭР, о которой речь пойдет ниже, липиды распределены асимметрично между монослоями. Для ПМ характерно высокое содержание сфинго-миелина, фосфатидилхолина и гликосфинголипи-дов на внешней стороне и аминофосфолипидов (фосфатидилсерина и фосфатидилэтаноламина), инозитол-содержащих липидов и фосфатидной кислоты — на внутренней. Аналогично, цитозоль-ный монослой мембраны аппарата Гольджи и эн-досом обогащен аминофосфолипидами и инози-тол-содержащими липидами, а люминальный — сфингомиелином, фосфатидилхолином и гли-косфинголипидами [15].
Известно, что липидная асимметрия природных мембран может поддерживаться за счет физико-химических свойств молекул липидов. Так, на модельных мембранах показано, что скорость спонтанного перемещения полярных липидов между монослоями зависит от заряда и размера полярной группы. Фосфатидная кислота, например, при низких значениях рН находится в нейтральной форме и легко перемещается между монослоями, однако при создании градиента рН на мембране она накапливается на той ее стороне, где значение рН выше [16]. Кроме того, характерное время жизни липидов в монослое зависит от их структуры. Для сложных гликосфинголипидов это время составляет дни, для менее сложных фосфатидилхолинов — часы [17, 18], а для небольших гидрофобных липидов, таких как церамиды, диацилглицерины и стеролы — секунды [19—21].
Однако физико-химические и структурные особенности липидных молекул не единственная причина липидной асимметрии. В переносе липидов из одного монослоя в другой участвуют интегральные белки. Такое заключение можно сделать из сравнения скоростей перемещения липидов из одного монослоя в другой в биогенных (с автономным производством липидов) и не биогенных мембранах. Показано, что характерное время такого перемещения фосфолипидов в искусственных бислоях [22, 23] и не биогенных мембранах [24, 25] составляет от нескольких часов до нескольких дней, в то время как в биогенных мембранах это время оценивается секундами [26—28]. Эти данные говорят о существовании специальных мембранных белков, способных катализировать перенос липидов из одного монослоя в другой и тем самым участвовать в создании и поддержании липидной асимметрии природных мембран. Сегодня можно говорить, по крайней мере, о трех группах мембранных белков, которые принято называть липидными транслоказами: это фли-пазы (Р4-АТР-азы), флопазы (ABC-переносчики) и скрамблазы [15, 29].
Флипазы, катализирующие АТР-зависимый транспорт липидов из экзоплазматического в ци-тозольный монослой мембраны, сегодня выделены в семейство Р4 суперсемейства АТР-аз Р-типа, которое насчитывает 14 представителей у млекопитающих [30, 31]. Р4-АТР-азы идентифицированы исключительно в мембранах эукариотических клеток и отличаются от других АТР-аз Р-типа тем, что активно транспортируют фосфолипиды, а не катионы [30, 32]. Флипазная активность АТР-аз семейства Р4 продемонстрирована в реконструированных протеолипосомах, содержащих Drs2p (Р4-АТР-азу дрожжей), где наблюдали АТР-зависи-мый транспорт флуоресцентного аналога фосфа-тидилсерина, тогда как в протеолипосомах с каталитически неактивной формой этого белка транспорт отсутствовал [31].
В поддержании липидной асимметрии мембран могут также принимать участие АВС-пере-носчики, принадлежащие к большому суперсемейству эволюционно консервативных белков, способных транспортировать разные химические соединения, включая сахара, пептиды, ксенобиотики, липиды и т.д. [33—35]. АВС-суперсемейство высших организмов насчитывает 49 представителей, которые делятся на семь семейств (A—G). Генетическими методами показано, что около половины АВС-переносчиков способны осуществлять активный перенос липидов между монослоями [34, 36], однако прямые доказательства получены только для некоторых из них.
АВС-переносчики, или флопазы, используя энергию АТР, транспортируют липиды из цито-зольного монослоя в люминальный, т.е., в отли-
чие от флипаз, в обратном направлении. Это показано как для природных [37—39], так и для искусственных мембран с реконструированными АВС-белками [40]. Например, АВСА1 и АВСА7 переносят холестерин и фосфатидилсерин [41— 43], АВСВ4 — высокоаффинный переносчик фос-фатидилсерина [37], а АВСВ1 транспортирует ли-пиды с широкой специфичностью, включая гли-церофосфолипиды, сфинголипиды и тромбоцит-активирующий фактор [34, 37].
Внешний и внутренний монослои мембраны ЭР в отличие от мембран других органелл имеют симметричный липидный состав [44]. Синтез ли-пидов происходит на цитозольной поверхности ЭР, поэтому необходимо, чтобы половина вновь появившихся липидов попадала в люминальный монослой. В ЭР скорость миграции липидов между монослоями на порядки превышает скорость их спонтанного перемещения между монослоями [23, 28, 45], что дает право говорить о наличии специального механизма, обеспечивающего симметричное распределение липидов. В англоязычной литературе этот механизм получил название scrambling (перестановка элементов) и, соответственно, белки, которые его обеспечивают, назвали скрамблазами (scramblases). Предполагается, что они переносят липиды из одного монослоя в другой с одинаковой вероятностью, причем в отличие от флипаз и флопаз без затрат энергии. Несмотря на то, что это явление подтверждено реконструкцией белкового экстракта ЭР в липосо-мы [46], идентифицировать конкретные белки, обеспечивающие липидную симметрию в ЭР, не удается до сих пор [47].
Бислойная асимметрия липидов тесно связана с клеточными функциями. Показано, что активация тромбоцитов, вызванная повреждением сосудов, сопровождается появлением фосфатидил-серина во внешнем монослое м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.