Τμήμα Βιολογίας Μάθημα: ΕΙΔΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ 2013-14 ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΚΑΙ ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ 2015 I.Σ.ΠΑΠΑΣΙΔΕΡΗ...για περισσότερα... http://kyttariki.biol.uoa.gr, http://multimedia.biol.uoa.gr
ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΛΥΣΩΣΩΜΑΤΩΝ
Τα πρωτογενή λυσοσώματα σχηματίζονται από κυστίδια της πλευράς εξόδου του συμπλέγματος Golgi
Τα ενδοσώματα διακρίνονται σε -Πρώιμα ενδοσώματα μικρά κυστίδια, σχετίζονται με κλαθρίνη και προέρχονται από την κυτταρική μεμβράνη -Όψιμα ενδοσώματα είναι μεγαλύτερα, βρίσκονται κοντά στον πυρήνα και σχετίζονται με λυσοσώματα που δημιουργούνται από ένζυμα που προέρχονται από TGN. Ονομάζονται και προλυσοσώματα το περιεχόμενο των οποίων χαρακτηρίζεται από το όξινο ΡΗ και μικρή συγκέντρωση λυσοσωμικών ενζύμων
ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΛΥΣΩΣΩΜΑΤΩΝ
Τα καλυμμένα κυστίδια αποκόπτονται, αποβάλλουν το κάλυμμα κλαθρίνης και σχηματίζουν απλά κυστίδια που περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα Σε μερικά λεπτά τα κυστίδια αδειάζουν το περιεχόμενο σε μεγαλύτερα κυστίδια, τα ενδοσώματα Η συγχώνευση πρωτογενούς λυσοσώματος και ενδοσώματος σχηματίζει το δευτερογενές λυσόσωμα
Τα ενδοκυτωτικά κυστίδια αδειάζουν το εξωκυττάριο υλικό στα πρώιμα ενδοσώματα με μηχανισμό που εμπλέκει τις πρωτεΐνες Rab, syntaxin-13. Ταυτόχρονα, στη σύντηξη των κυστιδιακών μεμβρανών εξαιτίας της παρουσίας νερού, που καθιστά ενεργειακά απαγορευτική τη σύντηξη, συμμετέχουν ειδικές πρωτεΐνες πρόσδεσης (σxοινίνη)
Στο μηχανισμό σύντηξης πρώιμων και όψιμων ενδοσωμάτων συμμετέχουν παράγοντες, όπως VAMP-7 και συνταξίνη-8 Γενικά οι παράγοντες VAMP-7 VAMP-8 VAMP- 9 VAMP-10 και οι Συνταξίνες 7, 8, 11 και άλλες SNAREs Φαίνεται να εμπλέκονται στο ενδοκυτταρικό μονοπάτι βιογένεσης λυσοσωμάτων
Έχουν προταθεί τρεις μηχανισμοί που προσπαθούν να εξηγήσουν τη μεταφορά υλικού μεταξύ όψιμου ενδοσώματος και λυσοσώματος -κυστιδιακή μεταφορά μεταξύ των οργανιδίων - παροδική σύντηξη (φιλί και απομάκρυνση) - δημιουργία υβριδικού οργανιδίου με τη συγχώνευση όψιμου λυσοσώματος και ενδοσώματος
a. Endocytic cargo is internalized from the plasma membrane first to early endosomes and then to late endosomes. Late endosomes deliver their cargo to lysosomes where the cargo molecules are degraded. Different models have been proposed to explain how cargo is trafficked from late endosomes to lysosomes. In the first model (maturation), late endosomes mature into lysosomes by the gradual addition of lysosomal components and removal of late endosome components. In a second vesicular model, vesicles may bud from the late endosome that delivers its contents to the lysosome. In the third model, late endosomes and lysosomes may transiently fuse (kiss), allowing for the exchange of contents between them, before departing again (run). In the final model (hybrid), endosomes and lysosomes may permanently fuse to form a hybrid organelle that contains both lysosome and late endosome components. Lysosomes are then re-formed by the selective retrieval of late endosome components. b. Lysosomes can fuse with different cellular membranes: with endosomes, autophagosomes, phagosomes and the plasma membrane (for the purpose of membrane repair).
a.the small GTPase RAB7, possibly in conjunction with the mammalian homotypic fusion and vacuole protein sorting (HOPS) complex, is thought to tether endosomes and lysosomes (or endosomes with endosomes). The fusion of late endosomes and lysosomes requires N-ethylmaleimide sensitive factor (NSF) and soluble NSF attachment proteins (SNAPs). b. trans-snare (SNAP receptor) complex formation requires syntaxin-7, VTI1B (Vps10 tail interactor-1b) and syntaxin-8 in both homotypic late endosome fusions and heterotypic late endosome lysosome fusions. Whereas vesicle-associated membrane protein-8 (VAMP8) is required for homotypic late endosome fusion, VAMP7 is needed for heterotypic late endosome lysosome fusions. Two different combinatorial trans-snare complexes are shown. c. The release of lumenal Ca 2+ (shown only for heterotypic fusion) leads to phospholipid bilayer fusion. Reformation of lysosomes from hybrid organelles requires the loss of mannose-6-phosphate receptors, SNARE retrieval and condensation of lumenal content to produce dense-core lysosomes. It should be noted that all five of the SNAREs shown have been observed on both late endosomes and lysosomes. Release of lumenal Ca 2+, which is necessary for membrane fusion between endosomes and lysosomes, is probably promoted by trans-snare complex formation, as has been described for homotypic vacuole fusion in yeast.
Πειράματα με ελεύθερα κύτταρα αρουραίου/ Mullock et al 1998, Έδειξαν ότι τα προϊόντα ανοσοκαθίζησης μετά από ανάμειξη όψιμων ενδοσωμάτων και λυσοσωμάτων ήταν ίδια με εκείνα που εντοπίσθηκαν σε οργανίδιο ενδιάμεσης πυκνότητας Μορφολογικές μελέτες με ΗΜ σε κύτταρα ΗEp-Ζ / Futter 1996 Έδειξαν την άμεση σύντηξη των όψιμων ενδοσωμάτων με λυσοσώματα
Δείχθηκε επίσης in vivo ότι κάθε χρονική στιγμή το 15% των λυσοσωμάτων συνδέονται με όψιμα ενδοσώματα και δημιουργούν το υβριδικό οργανίδιο Επίσης με μηχανισμό παρόμοιο της δημιουργίας τους επανασχηματίζονται τα λυσοσώματα
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΛΥΣOΣΩΜΑΤΩΝ
1. Ασθένειες που οφείλονται σε ανεπάρκεια λυσοσωμικών ενζύμων Συσσώρευση ουσιών που δεν μπορούν να διασπαστούν από τα λυσοσώματα ασθένειες «αποθήκευσης» υλικού σε Λυσοσώματα Σφιγγολιπιδώσεις, αποθήκευση τριγλυκεριδίων και εστέρων της χοληστερόλης, αποθήκευση γλυκογόνου, γλυκοπρωτεϊνών, βλενοπολυσακχαριτών Σύνδρομο Hurler s/ύπαρξη διογκωμένων λυσοσωμάτων γεμάτων βλενοπολυσακχαρίτες Νόσος Pompe/ έλλειψη ενζύμου που διασπά το γλυκογόνο
Ουσίες που έχουν απορροφηθεί από το κύτταρο και δεν μπορούν να τις διασπάσουν τα λυσοσώματα, όπως άτομα σίδηρου, χρυσού, αμιάντου κλπ προκαλούν ασθένειες όπως Χαλαζίωση: ίνες χαλαζία αντιδρούν με τη λυσοσωμική μεμβράνη και ακολουθεί λύση της και έξοδος των λυσοσωμικών ενζύμων με συνέπεια την νέκρωση των φαγοκυττάρων. Ο θάνατος των φαγοκυττάρων ενεργοποιεί τους ινοβλάστες που αρχίζουν την έκκριση ινών κολαγόνου (ίνωση), μείωση της ελαστικότητας του πνεύμονα Αμιάντωση: εισπνοή αμιάντου Ασθένεια του μαύρου πνεύμονα: γαιάνθρακα Σε άλλες περιπτώσεις προκαλείται δημιουργία «κοκκίων λιποφουσκίνης» ή «χρωστική γήρανσης» πχ επινεφρίδια ατόμων μεγάλης ηλικίας
2. Ασθένειες που οφείλονται σε ανεπάρκεια των ενζύμων φωσφορυλίωσης και μεταφοράς λυσοσωμικών ενζύμων Νόσος I-cell Τα λυσοσωμικά ένζυμα αντί να εγκλείονται στα λυσοσώματα εκκρίνονται από τα κύτταρα για διάφορους λόγους Ανεπάρκεια του ενζύμου Ν-ακετυλο-γλυκοζαμινοφωσφοτρανσφε-ράση που αναγνωρίζονται τα ΛΕ Απουσία του υποδοχέα της 6-φωσφορικής μαννόζης από το golgi, ή την πλασματική μεμβράνη
3. Ασθένειες που οφείλονται σε ανεπάρκεια των πρωτεϊνών ενεργοποίησης των σφιγγολιπιδίων Μη ενζυμικές γλυκοπρωτεΐνες που αποικοδομούν τα σφιγγολιπιδίων Ανεπάρκεια προκαλεί αποθήκευση σφιγγολιπιδίων και ασθένειες που μοιάζουν με τις αποθηκευτικές
4. Ασθένειες που οφείλονται στην ανεπάρκεια της προστατευτικής πρωτεΐνης/καθεψίνη Α Καθεψίνη Α- πολυλειτουργική γλυκοπρωτεΐνη Δημιουργεί πολυενζυμικό σύστημα με προστατευτική λειτουργία που αποτελείται από τη λυσοσωμική νευραμινιδάση και τη β-γαλακτοσιδάση Δρα επίσης ως: καρβοξυπεπτιδάση ουδέτερη εστεράση απαμιδάση Η ασθένεια ονομάζεται Γαλακτοσιαλίδωση
5. Άλλες λυσοσωμικές Ασθένειες Α. Niemann Pick τύπου C Οφείλεται σε ανεπαρκή μεταφορά χοληστερόλης Συσσώρευση στα κύτταρα του ήπατος και του σπλήνα Μη εστεροποιημένης χοληστερόλης Σφιγγομυελίνης Φωσφολιπιδίων Γλυκολιπιδίων Β. Σουλφατιδική λιπίδωση Οφείλεται σε ανεπάρκεια του ενζύμου αρυλοσουλφατάση Α,Β,και C. Γ. Διαφυγή ενζύμων από λυσοσώματα Δ. Διαφυγή λυσοσώμικών υδρολασών καταστροφή ιστών
ΠΡΩΤΕΑΣΩΜΑ
Το πρωτεάσωμα Είναι πρωτεολυτικό σύμπλεγμα με πολλές πρωτεϊνικές υπομονάδες Αποτελεί κεντρική ενζυμική δομή του κυττάρου και παίζει σημαντικό ρόλο στη μη λυσοσωμική αποικοδόμηση των πρωτεϊνών Κάθε τυπικό ανθρώπινο κύτταρο υπάρχουν 30.000 πρωτεασώματα
Αποτελείται από τρία διαφορετικά συστατικά Μια 20S υπομονάδα και Δύο 19S υπομονάδες S Με ρυθμιστικό ρόλο που συγκροτούν το 26S πρωτεάσωμα Η 20S κεντρική μονάδα έχει ΜΒ 700 kda, σχηματίζει κυλινδρική δομή που αποτελείται από 28 υπομονάδες με κάθε δίσκο να αποτελείται από 7 υπομονάδες.
Η 19S τροποποιεί την ενεργότητα της 20S και γι αυτό περιλαμβάνει ΑΤΡάσες, ισοπεπτιδάσες, και πρωτεΐνες που ευθύνονται για το ξεδίπλωμα του πρωτεϊνικού υποστρώματος Λειτουργούν επίσης ως πώματα προκειμένου να αποτρέπουν την είσοδο πρωτεϊνών που δεν θα αποικοδομηθούν Τα αρχαιοβακτήρια διαθέτουν μόνο το 20S πρωτεάσωμα που λειτουργεί χωρίς σύμπλεγμα ελέγχου
Η πρωτεολυτική δράση του πρωτεασώματος ελέγχεται από το σύστημα ουμπικιτίνης Η ουμπικιτίνη είναι πρωτεΐνη με 77 αμινοξικά κατάλοιπα Βρίσκεται σε όπλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα Αποτελεί την απαραίτητη σήμανση όλων των πρωτεϊνών που θα αποικοδομηθούν στο πρωτεάσωμα
Η σύνδεση της ουμπικτίνης με την πρωτεΐνη στόχο απαιτεί κατανάλωση ενέργειας με μορφή ΑΤΡ Χρησιμοποίηση ειδικών ενζύμων τα Ε1, Ε2 και Ε3 Το Ε1 δεσμεύει την ελεύθερη ουμπικιτίνη και την ενεργοποιεί Το σύμπλοκο μεταφέρεται στο Ε2 Το Ε3 συνδέει την ενεργοποιημένη ουμπικιτίνη πάνω στη πρωτεΐνη στόχο με σχηματισμό αμιδικoύ δεσμού
Υπάρχουν εκατοντάδες διαφορετικά Ε3 ενζυμικά σύμπλοκα που αναγνωρίζουν την αμινοξική αλληλουχία των πρωτεϊνών στόχων Οι F-box πρωτεΐνες μπορούν να συνδέονται με το ένζυμο Ε3 οπότε αυτό αποκτά την αναγκαία ειδικότητα και ποικιλία προκειμένου να ταυτοποιήσει και να σημάνει εκατοντάδες πρωτεΐνες που πρέπει να αποικοδομηθούν
Ο ρόλος του Ε3 είναι πολύ σημαντικός στην ανοσοαπόκριση αλλά και την κυτταρική διαίρεση Οι ιικές πρωτεΐνες που μπαίνουν στο κύτταρο σημαίνονται με ουμπικιτίνη και αποικοδομούνται στο ανοσοπρωτεάσωμα (σπλήνα)
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ Το χρώμα του δέρματος των μαλλιών και των ματιών οφείλεται στην παρουσία πολυμερών μελανίνης Τυροσίνη υδροξυφαινυλαλανίνη (DOPA) οξειδώνεται σε DOPA-κινόνη μαύρη-καφέ ευμελανίνη ή σε κοκκινο-κίτρινη φαιομελανίνη
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ Στην όλη διαδικασία εμπλέκονται 7 - γλυκοπρωτείνες, το ένζυμο τυροσινάση και πρωτεΐνες που σχετίζονται με αυτή (TRP-1 και TRP-2) Στα ζώα οι μεταλλαγές που εμπλέκονται στη διαδικασία δίνουν μια μεγάλη ποικιλία φαινοτύπων
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ Η υπεριώδης ακτινοβολία είναι ο ποιο σημαντικός ρυθμιστής της σύνθεσης μελανίνης Είτε διεγείροντας τα μελανοκύτταρα Είτε προκαλώντας την έκκριση παραγόντων από τα κερατινοκύτταρα (μελανοτροπίνη που ενεργοποιεί το camp και την πρωτεϊνική κινάση C για τον έλεγχο της μελανογένεσης)
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ Τα μελανοκύτταρα αποτελούν το 2-4% του συνολικού πληθυσμού της επιδερμίδας Προέρχονται από την νευρική ακρολοφία
ΜΕΛΑΝΟΣΩΜΑΤΑ Εντοπίζονται στη βασική επιδερμική στοιβάδα και σταθεροποιούνται με αλληλεπιδράσεις πιθανά μέσω καδερίνης και ιντεγκρινών με τα κερατινικύτταρα και τη βασική μεμβράνη Παρουσιάζουν χαμηλή μιτωτική ενεργότητα και έχουν στενή ανατομική και λειτουργική σχέση με τα κερατινοκύτταρα στη συγκρότηση του επιδερμικούσυστήματος της μελανίνης
Σύνδρομο Griscelli-Prunieras Το σύνδρομο Griscelli-Prunieras προκαλείται από μεταλλαγές του αυτοσωμικού γονιδίου που ελέγχει την έκφραση της μυοσίνης V. Ο φαινότυπος χαρακτηρίζεται από γκρίζο χρώμα μαλλιών και μειωμένη μελανίνη δέρματος. Νευρολογικές και ανοσολογικές ανεπάρκειες
Σύνδρομο Griscelli-Prunieras Τα μελανοκύτταρα συσσωρεύουν ώριμα μελανοσώματα που δεν μπορούν να μεταφερθούν εξαιτίας κοντών και ανεπαρκών δενδριτών Η οριακή μετακίνηση μελανοσωμάτων οφείλεται σε άλλες πρωτεΐνες που πιθανά συμμετέχουν στη μετακίνηση με τους μικροσωληνίσκους, όπως η κινησίνη και η δυνείνη
Σύνδρομο Chediak-Higashi: Τα μελανοκύτταρα περιέχουν γιγάντια μελανοσώματα και τα λευκοκύτταρα γιγαντιαία κοκκία με ειδικότητα λυσοσωμάτων Παρατηρείται δραστική μείωση της μελανίνης του δέρματος, γκρίζα μαλλιά, επαναλαμβανόμενες λοιμώξεις, ανεπάρκεια στον πολλαπλασιασμό των λεμφοκυττάρων και προοδευτική περιφερειακή νευροπάθεια
Σύνδρομο Chediak-Higashi: Υπεύθυνο το γονίδιο που κωδικοποιεί για μια πρωτεΐνη συστατικό του μεμβρανανικού συμπλέγματος μεταγωγής σήματος που ελέγχει την ενδοκυττάρια κυκλοφορία πρωτεϊνών
Σύνδρομο Hermansky-Pudlak: Λυσοσωμική ανεπάρκεια από τη συσσώρευση κεροειδών και λιποφουσκίνης στα λυσοσώματα των μακροφάγων, του πνεύμονα και του εντέρου. Απουσιάζουν τα α-κοκκία των αιμοπεταλίων Τα μελανοκύτταρα περιέχουν μελανοσώματα που σχηματίζονται από σύντηξη μικρότερων κυστιδίων Οι ασθενείς εμφανίζουν: περιοριστική νόσο του πνεύμονα, κοκκιωματική κολίτιδα, νευρική ανεπάρκεια, καρδιακή μυοπάθεια, αιμορραγικές διαταραχές και οφθαλμοδερμικό αλφισμό. Οφείλεται σε αυτοσωμικό γονίδιο (χρωμόσωμα 10), που κωδικοποιεί πρωτεΐνη που συμμετέχει στην οργανιδιογένεση των μελανοσωμάτων
Μελάνωμα: διαταραχή στο μηχανισμό κυτταρικής προσκόλλησης μέσω ιντεγκρινών, μεταβολή στις ιδιότητες κυτταρικής προσκόλλησης και μετανάστευσης σε σχέση με τη βασική μεμβράνη
Τα κύτταρα του μελανώματος εκφράζουν την ιντεγκρίνη α4β1 η οποία in vitro προάγει την προσκόλληση με φιμπρονεκτίνη αυξάνοντας την κυτταρική κινητικότητα Επίσης στα μελανώματα παρατηρείται μειωμένη έκφραση των Ε-καδερινών και Ρ-καδερινών με ταυτόχρονη μείωση της δέσμευσης των κακοηθών κυττάρων στα κερατινικύτταρα Παρατηρείται επίσης στα μελανώματα αύξηση της έκφρασης της Ν-καδερίνης που ενισχύει το ομοτυπικό δέσιμο μεταξύ των κυττάρων