Сортировка белка в поляризованных клетках эпителия
• В поляризованных клетках плазматическая мембрана состоит из отдельных доменов со специфическими наборами белков, и поэтому в этих клетках происходит дополнительная сортировка белков
• В зависимости от типа клеток, сортировка белков поверхности в поляризованных клетках может происходить в транс-Гольджи сети, эндосомах или в одном из доменов плазматической мембраны
• Процесс сортировки белков в поляризованных клетках происходит при участии специальных адаптерных комплексов, а также, вероятно, липидных рафтов (микродоменов) и лектинов
Плазматические мембраны большинства клеток многоклеточных организмов состоят из множества отдельных доменов, расположенных в непрерывном липидном бислое и различающихся между собой по биохимическим, структурным и функциональным характеристикам. Такие клетки считаются «поляризованными». Наиболее типичными примерами таких клеток являются эпителиальные клетки и нейроны.
Эпителиальные клетки выстилают все полости тела (например, кишечник, почки, воздухоносные пути) и, таким образом, обладают двумя поверхностями. Апикальный домен обращен в люмен органа, а базолатеральный граничит с кровью или с примыкающими клетками.
В эпителиальных клетках, специализированных на поглощении питательных веществ (например, клетки эпителия кишечника), на плазматической мембране апикального домена существуют небольшие выросты, которые называются микроворсинки. Они увеличивают общую поверхность клетки, что способствует увеличению поглощения ею питательных веществ.
Апикальная плазматическая мембрана в таких клетках обогащена мембранными белками, которые способствуют захвату клеткой таких питательных компонентов, как аминокислоты, сахара и другие молекулы. Также мембрана богата уникальными гликолипидами.
Напротив, базолатеральный домен содержит большинство мембранных белков (например, ЛНП-рецептор и ЭФР-рецептор) и липидов, находящихся в плазматической мембране неполяризованных клеток. Наряду с этим, переносчики, находящиеся в базолатеральном домене, транспортируют питательные компоненты из клетки в плазму крови.
Межклеточные контактные комплексы, состоящие из плотных контактов, адгезивных контактов и десмосом, разграничивают апикальные и базолатеральные домены. Одна из функций этих комплексов состоит в том, чтобы предотвратить возможность латеральной диффузии компонентов апикальной мембраны в базолатеральный домен, и наоборот.
Три типа сортировки, происходящего в транс-Гольджи сети поляризованных клеток эпителия.
Белки сортируются для эндоцитоза и для транспорта через апикальную и базолатеральную мембраны.
Для каждого пути используются свои адаптерные комплексы.
Поэтому липиды и белки должны направляться в соответствующий домен. Транспорт по секреторному механизму и по пути эндоцитоза носит поляризованный характер. Это обеспечивает движение компонентов апикальной и базолатеральной мембран в соответствующих направлениях. Транспорт в базолатеральный домен происходит под действием адресных сигналов, отличающихся от сигналов для апикального транспорта.
В зависимости от того, предназначены вновь образованные мембранные белки для апикальной или базолатеральной поверхности, в транс-Гольджи сети они сортируются по разным типам везикул. Для многих типов поляризованных эпителиальных клеток процесс базолатерального транспорта исследован хорошо. В цитоплазматических доменах большинства базолатеральных белков присутствуют сигналы, содержащие остаток тирозина или два остатка лейцина.
Эти остатки узнаются адаптерными комплексами таким же образом, как это происходит для белков, которые транспортируются по механизму эндоцитоза или направляются в лизосомы. Последовательности, содержащие и иногда не содержащие остатки тирозина, узнаются в транс-Гольджи сети с участием АР-1В, специфичной для эпителиальных клеток изоформы клатринового адаптерного комплекса АР-1. АР-1В связывается с клатрином, образуя транспортную везикулу, ориентированную в базолатеральном направлении. Этот комплекс отличается от широко распространенного комплекса АР-1А только структурой μ-цепи. Субъединицы μ1А и μ1В обладают на 80% одинаковой структурой, однако связывают разные типы сигналов. Причина этих различий не установлена.
Цитоплазматические домены белков, предназначенных для апикальной плазматической мембраны, не содержат специфических сигналов. Вместо этого в домене люмена они содержат критические N- или О-сахарные остатки или имеют особый тип мембранного якорного домена, обеспечивающего их включение в апикально направляющиеся транспортные везикулы. Одним из примеров такого мембранного якоря является GPI, который добавляется к некоторым белкам в эндоплазматическом ретикулуме. Такие везикулы, транспортируемые в апикальном направлении, часто содержат уникальный липидный микродомен, называемый липидный рафт, который накапливает специфические белки, обеспечивая, таким образом, их селективное включение в апикальные везикулы.
Вероятно, этот же механизм в определенной степени позволяет разделять липиды, так что сложные гликолипиды, обнаруженные на апикальной, но не на базолатеральной поверхности эпителиальных клеток, также селективно включаются в эти везикулы.
Для некоторых мембранных белков, в которых отсутствует информация об адресе и которые транспортируются из транс-Гольджи сети и в апикальных, и базолатеральных везикулах, существует третий тип поляризованного адресования. Однако после попадания в плазматическую мембрану эти белки еще могут стать поляризованными. Это происходит в процессе домен-специфического удержания, при котором мембранный белок взаимодействует с предварительно поляризованным цитоскелетом.
Последний содержит белки, которые собираются на мембранных доменах в ответ, например, на такие сигналы, как прикрепление к другой клетке. Часто такой тип цитоскелета собирается в области межклеточных контактов, что обеспечивает асимметричность накопления мембранных белков. Мембранные белки, которые взаимодействуют с таким цитоскелетом, стабилизируются в соответствующем мембранном домене. Однако мембранные белки, попавшие в домен, который не обладает подходящим цитоскелетом, интернализируются путем эндоцитоза, деградируют в лизосомах, или рециклируют.
В последнем случае они получают еще одну возможность попасть в домен с соответствующим цитоскелетом.
Сортировка апикальных и базолатеральных белков также осуществляется в эндосомах. Поскольку эндоцитоз происходит как с апикальной, так и с базолатеральной поверхности эпителиальных клеток, интернализованные белки за счет рециклирования должны вернуться в те домены, из которых они вышли. Очевидно, ранние эндосомы могут вести себя как транс-Гольджи сеть, сортируя апикальные и базолатеральные белки в определенные везикулы рециклирования, которые направляются или к апикальной, или к базолатеральной мембране.
Фактически при сортировке по признаку поляризации в эндосомах используются те же сигналы, что и в транс-Гольджи сети. Чтобы при продолжающемся эндоцитозе эпителиальные клетки могли поддерживать полярность плазматической мембраны, необходимо поляризованное рециклирование содержимого эндосом. Фактически в эндосомах, и в частности, в рециклирующих эндосомах, может происходить биосинтетическая сортировка. Таким образом, в качестве промежуточных звеньев, на пути от транс-Гольджи сети к базолатеральной плазматической мембране, могут использоваться рециклирующие эндосомы. Это, вероятно, объясняет, почему оба пути используют один и тот же набор сигналов.
Молекулы, интернализованные из апикальной или базолатеральной мембран,
могут вернуться обратно в прежний домен мембраны прямым путем с участием ранних эндосом или направиться в другой домен при участии рециклирующих эндосом.
