БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 9, с. 1095 - 1109
УДК 576.311.335,576.311.348.7,577.22
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВЕЗИКУЛ РАННЕГО СЕКРЕТОРНОГО ПУТИ И АППАРАТА ГОЛЬДЖИ С МИКРОТРУБОЧКАМИ И МИКРОТРУБОЧКОВЫМИ МОТОРАМИ
Обзор
© 2014 А.И. Фокин1, И.Б. Бродский1, А.В. Бураков1, Е.С. Надеждина1,2*
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119992 Москва; факс: (495)939-3181
2 Институт белка РАН, 119334 Москва; факс: (499)135-2147, электронная почта: elena.nadezhdina@gmail.com
Поступила в редакцию 09.06.14
В настоящем обзоре рассмотрена роль микротрубочек в перемещении по клетке мембранных везикул — транспортных контейнеров, в которые упакованы секретируемые белки или липиды. Большинство событий раннего везикулярного транспорта от эндоплазматического ретикулума (ЭПР) к аппарату Гольджи и обратно, по пути рециклирования, в клетках животных происходит с участием микротрубочек и моторных мик-ротрубочковых белков. Данные о роли динеина и кинезинов в раннем везикулярном транспорте остаются противоречивыми, вероятно, из-за дифференцированной роли этих белков в перемещениях везикул или мембранных тубул с различными карго (грузами) и на различных этапах секреции и ретроградного транспорта. Микротрубочки и моторный белок динеин необходимы для поддержания компактной структуры аппарата Гольджи, кроме того, существует набор белков, без которых аппарат Гольджи остается дисперсным. Дисперсия лентовидного аппарата Гольджи нередко происходит в физиологических условиях в интерфазных клетках. Аппарат Гольджи локализуется в лидирующей части ползущих по субстрату культивируемых клеток, что также зависит от микротрубочек и динеина. Аппарат Гольджи создает собственную систему микротрубочек, привлекая на мембраны у-тубулин и некоторые белки, ассоциирующиеся с микротрубочками. Молекулярные механизмы связывания с мембранами моторных белков и белков, ассоциирующихся с микротрубочками, весьма разнообразны, что говорит о возможности регуляции взаимодействия аппарата Гольджи с микротрубочками в ходе клеточной дифференцировки. Для иллюстрации некоторых положений обзора приведены собственные данные авторов, показывающие, что при синтезе в клетках конститутивно-активной ГТФазы Sar1a[H79G] образуется кластер везикул, и он диспергируется по клетке при разрушении микротрубочек. Движение в клетках везикул, содержащих белок промежуточного компартмента ERGIC53/LMANI, подавляется при ингибировании динеина. При ингибировании протеинкиназы LOSK ориентация аппарата Гольджи в лидирующей части клеток нарушается, но активность динеина не нарушена, о чем говорят данные о движении ЕКС1С53^МАШ-содержащих везикул.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: динеин, кинезин, эндоплазматический ретикулум, ERGIC, ERES, фибробласты, протеинкиназа.
Секретируемые клеткой во внешнюю среду или в плазмалемму компоненты (белки, липиды и т.д.) проходят многостадийный путь по клеточным компартментам, что сопровождается физическим перемещением по цитоплазме мембранных контейнеров — везикул. На анте-
роградном пути везикулы, отпочковываясь от эндоплазматического ретикулума (ЭПР), перемещаются в промежуточный компартмент ERGIC (endoplasmic reticulum — Golgi intermediate compartment), от него — к цис-цистернам аппарата Гольджи. Далее существует перенос вези-
Принятые сокращения: ЭПР — эндоплазматический ретикулум, ERES — endoplasmic reticulum exit site (место выхода секретируемых белков из ЭПР), ERGIC — endoplasmic reticulum — Golgi intermediate compartment (промежуточный компартмент между ЭПР и аппаратом Гольджи), GFP — green fluorescent protein (зеленый флуоресцирующий белок), yTuRC — gamma-tubulin ring complex (кольцевой белковый комплекс, содержащий у-тубулин), VSV-G — белок G вируса везикулярного стоматита, VTC — vesicular-tubular cluster (везикулярно-тубулярный компартмент).
* Адресат для корреспонденции.
кул между цис-цистернами, промежуточными цистернами, транс-цистернами, транс-Гольд-жи-сетью, от нее везикулы движутся к плазма-лемме или к лизосомам. На всех этапах существует обратный, ретроградный, ток везикул, несущих рециклирующие компоненты компарт-ментов. Везикулы могут перемещаться по цитоплазме разными путями: путем диффузии, с помощью сил, развиваемых при полимеризации актиновых филаментов (см. обзор С.Ю. Хайтли-ной в данном выпуске), а также с помощью активного, т.е. осуществляемого моторными белками, транспорта по актиновым филаментам и микротрубочкам. Выбор вариантов транспорта в какой-то мере зависит от расстояния, на которое должна переместиться везикула: диффузия может обеспечить перенос на короткую дистанцию, а на более длинной дистанции необходим активный транспорт. Моторные микротрубоч-ковые белки динеины и кинезины способны организовывать быстрые и направленные движения по сравнительно длинным микротрубочко-вым трекам, и такие движения везикул заметно увеличивают среднюю скорость перемещения по сравнению с простой диффузией в цитоплазме [1]. Это должно способствовать доставке транспортных контейнеров по назначению и ускорять реакцию клеток на различные стимулы.
В действительности картина выглядит несколько сложнее. Экспериментальная разборка клеточных микротрубочек (например, при обработке клеток нокодазолом или колхицином) отражается на секреции неоднозначным образом: разборка микротрубочек может ингибиро-вать секрецию, не влиять на нее или даже увеличивать ее уровень в зависимости от типа клеток [2, 3]. При разборке микротрубочек не нарушается, в частности, секреция коллагена, притом, что коллагеновые протофибриллы упакованы в контейнеры, размер которых достигает 300 нм [4]. Это означает, что и структуры такого размера могут перемещаться по клетке без помощи микротрубочек. Мы обобщаем в настоящем обзоре имеющиеся данные о конкретной роли микротрубочек и микротрубочковых моторов в отдельных событиях везикулярного транспорта. В последнее время стало очевидным, что те или иные везикулы могут использовать различные моторные белки, различный способ их регуляции и т.п. В настоящем обзоре мы не будем касаться миозин-зависимого транспорта по акти-новым филаментам, а также, в основном, не будем обсуждать события собственно секреции — движения везикул от транс-Гольджи сети к плазмалемме.
Анализ передвижений частиц по клетке требует прижизненных наблюдений. Для детально-
го описания кинетики прохождения секреторного пути очень удобна модельная система с использованием белка вируса везикулярного стоматита У8У-О. Пик работ с использованием этого белка пришелся на 90-е гг. прошлого века. Термочувствительный мутант 18045-У8У-0 при температуре 40° не покидает ЭПР [5], что дает возможность синхронизации секреции У8У-О. Клетки выдерживают 9—16 ч при 40°, а далее индуцируют секрецию, понижая температуру до 32° [5, 6] или даже до 15° [7]. При 32° У8У-О проходит весь секреторный путь и остается на плаз-малемме, при 15° он задерживается в ЕКО1С [7]. Прижизненные наблюдения за ОБР-меченым У8У-О показали, что при понижении температуры с 40 до 32° образуются флуоресцирующие везикулы, транспортные контейнеры. Они возникают на периферии клетки и перемещаются по линейным трекам в центральную область, а далее к плазматической мембране. Треки перемещения контейнеров обычно совпадают с микротрубочками [8, 9].
Наблюдениям секретируемых белков с флуоресцирующей меткой сильно мешает то обстоятельство, что значительное количество секрети-руемого белка обычно задерживается в ЭПР, создавая интенсивный фон в клетках. В экспериментах для уменьшения фона и для создания эффектов пульсовой метки применяют ингиби-рование белкового синтеза, что может вносить артефакты. Поэтому в настоящее время, когда стали известны основные служебные белки транспортных контейнеров (например, белки окаймления везикул), исследователи предпочитают использовать именно их для маркировки секреторных путей. При этом всегда остается вопрос о содержимом транспортных контейнеров и гомогенности этих везикул. Показано, что различные карго (грузы) могут использовать одни и те же [10] или различные [11] везикулы для перемещения по секреторному пути, в том числе некоторые карго совпадают с У8У-О, а некоторые — нет. Для секреции крупных белков, не помещающихся по размерам в СОР11-везикулы (например, для проколлагена или хиломикро-нов), клетка образует особые, более крупные контейнеры [12].
Нарушение микротрубочек не приводит к существенному замедлению прохождения У8У-О по секреторному пути, хотя, как уже говорилось, треки перемещения везикул с У8У-О совпадают с микротрубочками [8, 9]. Можно предположить, что если микротрубочки имеются, то по ним идет транспорт, если их нет — клетка перестраивает свою секреторную систему так, чтобы транспорт на дальние расстояния не понадобился. Данная проблема обсуждается далее. Ва-
риант моторных белков, которые могут быть использованы для транспорта, зависит от того, где расположены плюс- и минус-концы микротрубочек между ЭПР и аппаратом Гольджи. Общепринятая точка зрения состоит в том, что ЭПР расположен по периферии клетки, а аппарат Гольджи — в ее центре, вокруг центросомы, причем цис-цистерны расположены вблизи центросомы. Центросома же организует микротрубочки таким образом, что их минус-конец расположен возле нее, а плюс-конец — на периферии клетки. Следовательно, при своем антероград-ном движении везикулы должны двигаться от ЭПР к аппарату Гольджи и далее от плюс-конца микротрубочек к их минус-концу, т.е. по дине-ин-зависимому пути [13]. Однако данная картина выглядит слишком упрощенной, а иногда и неверной. В реальности ERES разбросаны практически по всему объему клетки (рис. 1, см. цветную вклейку); нередко путь везикулы от ERES до цис-цистерн аппарата Гольджи выглядит весьма сложным, в частности, транспортируемым везикулам необходимо миновать трансотделы аппарата Гольджи. Другая проблема состоит в том, что микротрубочки нередко расположены в цитоплазме хаотично, т.е. часть из них может располагаться в районе ERES минус-концом к ЭПР и плюс-концом к аппарату Гольджи. Такое расположение микротрубочек предполагает использование кинез
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.