Часть 3 (1129751), страница 92
Текст из файла (страница 92)
(г, модифицировано из M. A. de Matteis and A. mGodi, Nat. Cell Biol. 6: 487–492, 2004. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd.)способствуют регуляции образования везикул и других этапов внутриклеточноготранспорта (рис. 13.11). Сходная стратегия широко используется для рекрутирования специфических внутриклеточных сигнальных белков к плазматическоймембране в ответ на внеклеточные сигналы (см. главу 15).13.1.5. Цитоплазматические белки регулируют отшнуровываниеи сбрасывание оболочки окаймленных везикулПо мере роста окаймленного клатрином бугорка растворимые цитоплазматические белки, включая динамин, собираются в кольцо вокруг основания каждогобугорка (рис. 13.12).
Динамин содержит PI(4,5)P2-связывающий домен, которыйГлава 13. Внутриклеточный везикулярный транспорт 1283Рис. 13.11. Внутриклеточная локализация фосфоинозитидов. Различные типы PIP располагаются в различных мембранах и мембранных доменах, где они часто принимают участие в специфических событияхвезикулярного транспорта.
Например, мембрана секреторных пузырьков содержит PI(4)P. Когда пузырькисливаются с плазматической мембраной, расположенная там PI 5-киназа превращает PI(4)P в PI(4,5)P2.PI(4,5)P2, в свою очередь, способствует рекрутированию адаптерных белков, которые инициируютформирование клатриновых окаймленных ямок, что является первым этапом опосредованного клатрином эндоцитоза.
Как только клатриновый пузырек отпочковывается от плазматической мембраны,PI(5)P-фосфатаза гидролизует PI(4,5)P2, что ослабляет связывание с адаптерными белкам и вызываетсбрасывание везикулой белковой оболочки. Мы обсудим фагоцитоз и различия между регулируемыми конститутивным экзоцитозом позже в этой главе. (Модифицировано из M. A. de Matteis and A. Godi,Nat. Cell Biol. 6: 487–492, 2004. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd.)прикрепляет белок к мембране, и GTPазный домен, который регулирует скоростьотшнуровывания везикул от мембраны.
В процессе отшнуровывания два нецитоплазматических монослоя мембраны сближаются и сливаются, запечатывая образующийся пузырек. Для этого динамин рекрутирует к основанию отпочковывающегосяпузырька другие белки, и все вместе они способствуют изгибу участка мембраныза счет прямого нарушения структуры бислоя путем изменения его липидногосостава через рекрутирование модифицирующих липиды ферментов либо за счетобоих механизмов.Вскоре после того как пузырек отделился от мембраны, он теряет свою клатриновую оболочку.
PIP-фосфатаза, которая также содержится в окаймленныхпузырьках, убирает из мембраны PI(4,5)P2, что ослабляет связывание с адаптерными белками. Более того, шаперон Hsp70 служит ATPазой «раздевания» везикул,используя гидролиз ATP для удаления клатриновой оболочки. Считается, чтоауксилин, еще один белок везикул, активирует ATPазу. Поскольку окаймленныйбугорок существует значительно дольше, чем оболочка везикулы, дополнительныемеханизмы регуляции препятствуют удалению клатрина до окончательного образования везикулы (см.
ниже).1284Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 13.12. Роль динамина в отшнуровывании клатриновых пузырьков. (а) Динамин собираетсяв кольцо вокруг основания формирующегося пузырька. Предполагают, что динаминовое кольцо привлекает к основанию везикулы другие белки, которые вместе с динамином дестабилизируют взаимодействующие липидные бислои, что приводит к слиянию нецитоплазматических монослоев. Затемновообразованная везикула отшнуровывается от мембраны. Определенные мутации динамина могуткак ускорить, так и блокировать процесс отшнуровывания. (б) Динамин открыли в мутантах shibire мушкиDrosophila. У этих мутантных мушек наступает паралич, вызванный дефектом динамина, останавливающим опосредуемый клатрином транспорт и, следовательно, рециркуляцию синаптических пузырькови высвобождение нейромедиатора.
В нервных клетках мушек формируются изогнутые клатриновыеямки, в основании которых лежит кольцо динамина, как показано на микрофотографии в поперечномсрезе. Отшнуровывания не происходит, потому что не происходит слияния мембран. (б, из J. H. Koenigand I. Ikeda, J. Neurosci. 9: 3844–3860, 1989. С любезного разрешения Society of Neuroscience.)13.1.6. Мономерные GTPазы регулируют сборку оболочекБелки окаймления для уравновешивания везикулярного транспорта междукомпартментами должны собираться только там, где они нужны, и только тогда,когда они нужны. Хотя локальный синтез PIP играет важную роль в регуляциисборки клатриновых оболочек на плазматической мембране и в аппарате Гольджи,в клетках существуют дополнительные пути регуляции образования каймы. Рекрутирующие оболочку GTPазы, например, контролируют сборку клатриновыхоболочек на эндосомах и COPI и COPII на мембранах Гольджи и ЭР.Многие этапы везикулярного транспорта зависят от различных GTP‑связывающихбелков, контролирующих пространственный и временной аспекты обмена мембранами.
Как обсуждается в главе 3, GTP-связывающие белки регулируют большинствопроцессов в эукариотических клетках. Они служат молекулярными переключателями,переходящими из активного состояния при связывании GTP в неактивное при связы-Глава 13. Внутриклеточный везикулярный транспорт 1285вании GDP. Два класса белков регулируют переход между состояниями: факторыобмена гуаниновых нуклеотидов (Guanine-Nucleotide-Exchange Factors — GEF)активируют белки, катализирующие обмен GDP на GTP, и GTPаза-активирующиебелки (GTPase-Activating Proteins, GAP) инактивируют белки за счет инициациигидролиза связанного GTP до GDP (см.
рис. 3.71). Несмотря на то что как мономерные GTP-связывающие белки (мономерные GTPазы), так и тримерные GTPсвязывающие белки (G-белки) играют важную роль в везикулярном транспорте,роль мономерных GTPаз лучше изучена, и здесь мы сконцентрируемся на них.Рекрутирующие оболочку GTPазы входят в семейство мономерных GTPаз.Они включают в себя белки Arf (ADP ribosylation factor – фактор рибозилированияADP), которые отвечают за сборку клатриновых и COPI-оболочек в мембранахГольджи, и белок Sar1, который отвечает за сборку COPII-оболочки в ЭР. Рекрутирующие оболочку GTPазы в цитоплазме обычно содержатся в больших концентрациях в неактивном, связанном с GDP состоянии. Когда окаймленная COPIIвезикула отпочковывается от мембраны ЭР, специфическая Sar1-GEF мембраныЭР связывается с цитоплазматическим Sar1, который в результате высвобождаетGDP и связывает GTP.
(Вспомните, что в цитозоле GTP содержится в значительно больших концентрациях, чем GDP, и, следовательно, будет самопроизвольносвязываться с белком после отделения GDP.) В GTP-связанном состоянии белокSar1 выставляет наружу амфифильную спираль, которая входит в цитоплазматический монослой липидного бислоя мембраны ЭР. Затем связанный Sar1 привлекаетв мембрану ЭР белковые субъединицы оболочки для инициации отпочковывания(рис. 13.13).
Остальные GEF и рекрутирующие оболочку GTPазы в других мембранах действуют сходным образом.Некоторые белки оболочки также взаимодействуют, хотя и слабее, с головкамиопределенных липидных молекул, а именно с фосфатидной кислотой и фосфоинозитидами, а также с цитоплазматическими хвостами некоторых трансмембранных белков, которые они рекрутируют в бугорок. Все вместе эти белок-липидныеи белок-белковые взаимодействия крепко связывают оболочку с мембраной, заставляя последнюю сначала формировать ямку, а затем отшнуровываться в формеокаймленного пузырька.Рекрутирующие оболочку GTPазы также играют роль в разборке каймы.Гидролиз связанного GTP до GDP вызывает изменение конформации GTPазы,приводящее к выходу ее гидрофобного хвоста из мембраны и разборке оболочкипузырька.
Несмотря на то что до сих пор точно не известно, как запускается процесс гидролиза GTP, предполагают, что GTPазы работают как таймеры, медленногидролизующие GTP. Причем скорость гидролиза можно предсказать. Например,COPII-оболочки ускоряют гидролиз GTP белком Sar1, запуская разборку оболочкив определенный момент времени после начала ее сборки. Таким образом, полностьюсформированная везикула будет образовываться, только если образование ямкипроисходит быстрее, чем запрограммированный процесс разборки; в противномслучае разборка начнется до отшнуровывания пузырька, и процесс должен будетначаться заново в более подходящем месте и в более подходящее время.Считают, что другие окаймленные пузырьки образуются сходным образом.
Рекрутирующая оболочку GTPаза Arf также содержит регулируемую амфифильную спираль,но, в отличие от Sar1, ее спираль несет ковалентно связанную жирнокислотную цепь,которая вносит вклад в ее гидрофобность. Как и в Sar1, регулируемая амфифильнаяспираль спрятана в GDP-связанном состоянии и выдвигается при связывании GTP.1286Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 13.13.
Образование окаймленной COPII-везикулы. (а) Белок Sar1 представляет собой рекрутирующую оболочку GTPазу. В неактивном состоянии растворимый Sar1-GDP связывается с Sar1-GEFв мембране ЭР, после чего Sar1 высвобождает GDP и связывает GTP. Sar1-GEF (или Sec12) обнаруженв температурочувствительных мутантах, у которых заблокирован транспорт из ЭР в аппарат Гольджи(см. приложение 13.1). GTP-зависимая конформационная перестройка Sar1 приводит к выходу наружуамфифильной спирали, которая встраивается в цитоплазматический монослой мембраны ЭР, запускаяпроцесс инвагинации мембраны. (б) GTP-связанный Sar1 связывается с комплексом двух COPII — Sec23и Sec24. Кристаллическая структура Sec23/24 и Sar1 позволяет предсказать, как амфифильная спиральSar1 заякоривает комплекс в мембране. На Sec24 расположено несколько разных сайтов связыванияцитоплазматических хвостов рецепторов груза.
Вся поверхность комплекса, взаимодействующая с мембраной, мягко изгибается, чтобы соответствовать диаметру окаймленной COPII везикулы. (в) Комплексдвух дополнительных белков COPII, Sec13 и Sec31, образует внешний слой оболочки. Как и клатрин,комплекс Sec13/31 сам по себе способен собираться в симметричные сетки подходящего для окаймлениявезикулы размера. (г) Связанный с мембраной активный Sar1-GTP рекрутирует к мембране субъединицыCOPII. Это вызывает формирование на мембране бугорка, в котором содержатся определенные трансмембранные белки. При последующем слиянии мембран везикула отшнуровывается.Глава 13.
Внутриклеточный везикулярный транспорт 1287Как мы обсудим ниже, GTPазы Rab сходным образом регулируют свое прикрепление к мембране (см. рис. 13.14, в, модифицировано из S. M. Stagg et al., Nature 439:234–238, 2006. С любезного разрешения издательства Macmillan Publishers Ltd.).13.1.7. Не все транспортные везикулы имеют сферическую формуНесмотря на то что отпочковывание везикул в различных компартментах клетки обладает многими сходными признаками, каждая клеточная мембрана обладаетособыми свойствами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
