Περιοχές της συσκευής Golgi

Transcript

1

2 Η συσκευή Golgi Η συσκευή Golgi αποτελείται από μια στιβάδα πεπλατυσμένων δεξαμενών και τα κυστίδια που συνδέονται με αυτές. Πρωτεΐνες και λιπίδια από το ER εισέρχονται στη cis όψη της συσκευής Golgi και εξέρχονται στο επίπεδο της trans όψης του Golgi.

3 cis trans

4

5 Περιοχές της συσκευής Golgi Trans-Golgi δικτυο Trans διαμερισμα Medial διαμέρισμα Cis-Golgi δικτυο Ενδιάμεσο διαμέρισμα ER-Golgi (ERGIC)

6 Kυστίδια που έρχονται από το ER συντήκονται σχηματίζοντας το ενδιάμεσο διαμέρισμα ER-Golgi (ERGIC) και στη συνέχεια πρωτεΐνες που έρχονται από το ER μεταφέρονται στο cis δίκτυο Golgi. Οι μόνιμες πρωτεΐνες του ER επαναφέρονται από το ενδιάμεσο διαμέρισμα ER-Golgi και το δίκτυο cis Golgi στο ER μέσω του μονοπατιού ανακύκλωσης. Τα διαμερίσματα medial και trans της στιβάδας Golgi αντιστοιχούν στις δεξαμενές που βρίσκονται στο μέσο του συμπλέγματος Golgi και είναι οι θέσεις όπου λαμβάνουν χώρα οι περισσότερες τροποποιήσεις πρωτεϊνών. Κατόπιν, οι πρωτεΐνες μεταφέρονται στο δίκτυο trans Golgi, όπου γίνεται η διαλογή τους για μεταφορά στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, στα ενδοσώματα, στα λυσοσώματα ή για έκκριση από το κύτταρο. Οι πρωτεΐνες διασχίζουν το Golgi με κατεύθυνση cis προς trans, περνώντας μέσα από τις δεξαμενές του Golgi, ενώ τα κυστίδια μεταφοράς επαναφέρουν τις μόνιμες πρωτεΐνες του Golgi σε προηγούμενα διαμερίσματα ώστε να χρησιμοποιηθούν εκ νέου.

7

8

9 Επεξεργασία των Ν-συνδεδεμένων ολιγοσακχαριτών στο Golgi Οι Ν-συνδεδεμένοι ολιγοσακχαρίτες των γλυκοπρωτεϊνών που μεταφέρονται από το ER τροποποιούνται περαιτέρω στο Golgi με μια καθορισμένη αλληλουχία χημικών αντιδράσεων.

10 Στόχευση των λυσοσωμικών πρωτεϊνών με φωσφορυλίωση καταλοίπων μαννόζης. Πρωτεΐνες που προορίζονται για ενσωμάτωση στα λυσοσώματα αναγνωρίζονται και τροποποιούνται ειδικά με προσθήκη φωσφορικών ομάδων στη θέση 6 των καταλοίπων μαννόζης. Στο πρώτο βήμα της αντίδρασης, ομάδες φωσφορικής Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης μεταφέρονται στα κατάλοιπα μαννόζης από την UDP-Νακετυλογλυκοζαμίνη. Στη συνέχεια, η Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη απομακρύνεται και στη θέση της παραμένει 6φωσφορική μαννόζη.

11 Στόχευση των λυσοσωμικών πρωτεϊνών με φωσφορυλίωση καταλοίπων μαννόζης. Πρωτεΐνες που προορίζονται για ενσωμάτωση στα λυσοσώματα αναγνωρίζονται και τροποποιούνται ειδικά με προσθήκη φωσφορικών ομάδων στη θέση 6 των καταλοίπων μαννόζης. Στο πρώτο βήμα της αντίδρασης, ομάδες φωσφορικής Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης μεταφέρονται στα κατάλοιπα μαννόζης από την UDP-Νακετυλογλυκοζαμίνη. Στη συνέχεια, η Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη απομακρύνεται και στη θέση της παραμένει 6φωσφορική μαννόζη.

12

13 Σύνθεση της σφιγγομυελίνης και των γλυκολιπιδίων. Το κεραμίδιο, το οποίο έχει συντεθεί στο ER, μετατρέπεται είτε σε σφιγγομυελίνη (ένα φωσφολιπίδιο) είτε σε γλυκολιπίδια στη συσκευή Golgi. Κατά την πρώτη αντίδραση, μια ομάδα φωσφορυλοχολίνης μεταφέρεται από τη φωσφατιδυλοχολίνη στο κεραμίδιο. Εναλλακτικά, μπορούν να συντεθούν διάφορα γλυκολιπίδια με προσθήκη ενός ή περισσότερων καταλοίπων σακχάρου (π.χ. γλυκόζης).

14 Μεταφορά από τη συσκευή Golgi. Μετά τη διαλογή τους στο δίκτυο trans Golgi, οι πρωτεΐνες μεταφέρονται προς τους τελικούς τους προορισμούς μέσα σε κυστίδια. Οι πρωτεΐνες μπορεί να μεταφερθούν, είτε άμεσα είτε μέσω ενδοσωμάτων ανακύκλωσης, στην κυτταροπλασματική μεμβράνη. Επίσης, μπορεί να διανεμηθούν σε διακριτά εκκριτικά 14την ωρίμανση των οποίων κυστίδια για ρυθμιζόμενη έκκριση ή να οδηγηθούν σε όψιμα ενδοσώματα, από θα προκύψουν λυσοσώματα.

15 Μεταφορά πρωτεϊνών στην κυτταροπλασματική μεμβράνη πολωμένων κυττάρων. Στα πολωμένα επιθηλιακά κύτταρα, η κυτταροπλασματική μεμβράνη διαιρείται σε κορυφαία και βασεοπλευρική περιοχή. Η στόχευση συγκεκριμένων πρωτεϊνών προς την κορυφαία ή τη βασεοπλευρική μεμβράνη γίνεται είτε στο δίκτυο trans Golgi είτε σε ενδοσώματα ανακύκλωσης. Στενοσύνδεσμοι μεταξύ γειτονικών κυττάρων διατηρούν την ταυτότητα της κορυφαίας και της βασεοπλευρικής μεμβράνης, καθώς εμποδίζουν τη διάχυση πρωτεϊνών ανάμεσα στις δύο αυτές περιοχές.

16 Μεταφορά μέσω κυστιδίων Πειραματικές προσεγγίσεις Μελέτη εκκριτικής οδού στο ζυμομύκητα Βιοχημικά συστήματα ανασύστασης κυστιδιακής μεταφοράς Βιοχημική ανάλυση συναπτικών κυστιδίων υπεύθυνων για τη ρυθμιζόμενη έκκριση νευροδιαβιβαστών Τεχνολογία GFP live video microscopy Πρωτεωμική ανάλυση μεγάλης κλίμακας

17 Σχηματισμός και σύντηξη ενός κυστιδίου μεταφοράς Μεμβρανικές πρωτεΐνες και εκκριτικές πρωτεΐνες του αυλού μαζί με τους υποδοχείς τους συλλέγονται σε επιλεγμένες περιοχές της μεμβράνης-δότη, όπου ο σχηματισμός ενός καλύμματος από πρωτεΐνες του κυτταροδιαλύματος οδηγεί στην εκβλάστηση ενός κυστιδίου μεταφοράς. Κατά τη μεταφορά, το κάλυμμα αποσυναρμολογείται και το κυστίδιο μεταφοράς προσδένεται (ελλιμενίζεται) στη μεμβράνη-στόχο, με την οποία και συντήκεται.

18

19 Σχηματισμός καλυμμένων κυστιδίων Οι παραγοντες ADP (Arf1-6 και Sar1) Οι πρωτείνες Rab Οι πρωτείνες προσαρμοστές Οι πρωτείνες καλύμματος Κλαθρίνη, COPI, COPII

20 Μεταφορά μέσω καλυμμένων κυστιδίων. Κυστίδια καλυμμένα με COPIΙ μεταφέρουν τις πρωτεΐνες-φορτία από το ER στο Golgi και κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη προωθούν πρωτεΐνεςφορτία έξω από το δίκτυο trans Golgi. Τα εκκριτικά μόρια διασχίζουν το Golgi μέσα στις δεξαμενές του καθώς αυτές ωριμάζουν. Επίσης, κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη επαναφέρουν φορτία από την κυτταροπλασματική μεμβράνη στα ενδοσώματα και σε άλλα οργανίδια, όπως στο δίκτυο trans Golgi και στα λυσοσώματα. Κυστίδια καλυμμένα με COPI ανακτούν μόνιμες πρωτεΐνες του ER από το ERGIC και το cis Golgi και επαναφέρουν μόνιμα ένζυμα του Golgi από το trans Golgi σε προηγούμενες δεξαμενές του Golgi.

21 Έναρξη της συναρμολόγησης ενός καλυμμένου με κλαθρίνη κυστιδίου από την πρωτεΐνη ARF1. Η πρωτεΐνη ARF1 μπορεί να εκκινήσει τον σχηματισμό ενός κυστιδίου καλυμμένου με κλαθρίνη στη μεμβράνη του trans Golgi. Μετά την παράδοσή του στη μεμβράνη, το σύμπλοκο ARF/GDP ενεργοποιείται προς ARF/GTP. Το σύμπλοκο ARF/GTP επιστρατεύει μια πρωτεΐνηπροσαρμοστή GGA στη μεμβράνη και η πρωτεΐνη αυτή επιστρατεύει έναν διαμεμβρανικό υποδοχέα, ο οποίος φέρει το φορτίο του από τον αυλό, αλληλεπιδρώντας με την κυτταροπλασματική ουρά του υποδοχέα. Στη συνέχεια, η GGA επιστρατεύει μια δεύτερη πρωτεΐνη-προσαρμοστή, την ΑΡ1, η οποία χρησιμεύει ως θέση πρόσδεσης για τη συναρμολόγηση ενός καλύμματος κλαθρίνης.

22 Ενσωμάτωση των λυσοσωμικών πρωτεϊνών σε κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη. Οι πρωτεΐνες που προορίζονται για τα λυσοσώματα είναι σημασμένες με κατάλοιπα 6-φωσφορικής μαννόζης, τα οποία προσδένονται σε υποδοχείς της 6-φωσφορικής μαννόζης στο δίκτυο trans Golgi. Οι υποδοχείς αυτοί χρησιμεύουν ως θέσεις πρόσδεσης για πρωτεΐνες-προσαρμοστές του κυτταροδιαλύματος, οι οποίες με τη σειρά τους προσδένουν κλαθρίνη. Οι κλαθρίνες αποτελούνται από τρεις πρωτεϊνικές αλυσίδες που συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα καλαθοειδές πλέγμα, το οποίο προκαλεί παραμόρφωση της μεμβράνης και σχηματισμό του εκβλαστήματος από το οποίο προκύπτει το κυστίδιο.

23 Σύντηξη κυστιδίων α) αναγνώριση της μεμβράνης-στόχου Αρχική πρόσδεση Ισχυρή πρόσδεση β) σύντηξη των φωσφολιπιδικών διπλοστοιβάδων Πρωτείνες SNARE v-snare (vesicle) t-snare (target)

24 Rab πρωτεΐνες πρόσδεσης GTP και οι θέσεις δράσης τους Παραδείγματα από ένα σύνολο περισσότερων από 60 πρωτεϊνών Rab των θηλαστικών, των οποίων γνωρίζουμε τη θέση δράσης και την πιθανή λειτουργία.

25 Παράδοση της πρωτεΐνης Rab σε μια μεμβράνη. Η μικρή πρωτεΐνη πρόσδεσης GTP Rab τροποποιείται με προσθήκη μιας ομάδας πρενυλίου, η οποία επιτρέπει την εισαγωγή της σε μια μεμβράνη (βλ. Εικόνα 8.34). Στο κυτταροδιάλυμα, η πρωτεΐνη Rab μεταφέρεται δεσμευμένη σε έναν αναστολέα διάστασης του GDP (GDI, GDP-Dissociation Inhibitor), ο οποίος τη διατηρεί υπό τη μορφή Rab/GDP. Σε μια μεμβράνη, ένας μη ειδικός παράγοντας εκτόπισης του GDI μπορεί να απομακρύνει το σύμπλοκο Rab/GDP από το GDI και να το εισαγάγει στη μεμβράνη. Παρουσία ενός ειδικού παράγοντα ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης της Rab (Rab-GEF), το GDP που φέρει η Rab ανταλλάσσεται με GTP και το ενεργό πλέον σύμπλοκο Rab/GTP μπορεί να αλληλεπιδράσει με πρωτεΐνες-τελεστές. Αν απουσιάζει ο σωστός παράγοντας ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης της Rab, το σύμπλοκο Rab/GDP απομακρύνεται δεσμευόμενο ξανά από έναν GDI και μεταφέρεται σε άλλη μεμβράνη.

26 Μηχανισμός σύντηξης κυστιδίου Η σύντηξη ενός κυστιδίου πυροδοτείται από το σύμπλοκο Rab/GTP. Ειδικές πρωτεΐνες Rab στις μεμβράνες του κυστιδίου και της θέσης-στόχου δεσμεύουν πρωτεΐνες-τελεστές για να προσδέσουν το κυστίδιο με τη μεμβράνη-στόχο. Αυτή η πρόσδεση επιτρέπει αλληλεπίδραση μεταξύ των v-snare και t-snare. Οι επικράτειες σπειρωμένου σπειράματος των πρωτεϊνών SNARE κλείνουν μεταξύ τους σαν φερμουάρ, παρέχοντας την ενέργεια που απαιτείται για να έρθουν σε στενή επαφή το κυστίδιο και η μεμβράνη-στόχος. Αυτή η εγγύτητα μεταξύ των δύο μεμβρανών αποσταθεροποιεί τις λιπιδικές διπλοστιβάδες, οδηγώντας σε σύντηξη της μεμβράνης του κυστιδίου με τη μεμβράνη-στόχο. Οι αλλαγές στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πρωτεϊνών προκαλούν τη στρατολόγηση NSF και πρωτεϊνών SNAP στο σύμπλοκο SNARE και αποσυναρμολογούν το σύμπλοκο χρησιμοποιώντας ενέργεια που προέρχεται από την υδρόλυση του ATP.

27 Συναρμολόγηση ενός συμπλόκου εξωκυττάρωσης και στόχευση κυστιδίων. Τα σύμπλοκα εξωκυττάρωσης αποτελούνται από οκτώ διαφορετικές πρωτεΐνες. Σχηματίζονται κατά την εξωκυττάρωση από πρωτεΐνες που βρίσκονται τόσο σε κυστίδια μεταφοράς όσο και σε συγκεκριμένες περιοχές της κυτταροπλασματικής μεμβράνης. Η συγκράτηση και ο ελλιμενισμός κυστιδίων σε σύμπλοκα εξωκυττάρωσης οδηγούν τα κυστίδια αυτά σε κανονική σύντηξη που επάγεται από SNARE. Μικρές πρωτεΐνες πρόσδεσης GTP, όπως είναι η Rab11 και η ARF6, ρυθμίζουν τη συναρμολόγηση του συμπλόκου εξωκυττάρωσης πάνω στο κυστίδιο μεταφοράς και συντονίζουν τη μετάβασή του στη θέση-στόχο.

28