ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ ΒΙΟΜΟΡΙΩΝ: Υπεροξυσώματα - Λυσοσώματα Μαριάννα Χ. Αντωνέλου, Ph.D. Λέκτορας Τμήματος Βιολογίας, Πανεπιστημίου Αθηνών 09-01-2015
YΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ Συμμετέχουν σε οξειδωτικές διαδικασίες μεταβολισμού Προστασία έναντι επικίνδυνων μεταβολιτών πχ. H 2 O 2 Οξείδωση αλκοολών-αποτοξίνωση Σύνθεση πλασμαλογόνων (σημαντική κατηγορία φωσφολιπιδίων που βρίσκονται στις μεμβράνες ιστών όπως η καρδιά και ο εγκέφαλος) ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Αποικοδόμηση βιομορίων (κυτταροποσία-κυτταροφαγία-αυτοφαγία) Ανακύκλωση μεταβολιτών Κυτταρικός θάνατος 2
Β. Λυσοσώματα Καταβολικά (πεπτικά) οργανίδια ευκαρυωτικών κυττάρων They degrade extracellular material that has been internalized by endocytosis and intracellular components that have been sequestered by autophagy "suicide bags" or "suicide sacs" of the cell the stomach of the cell 3
1955- Biochemistry Journal 60:604-617; 1955 Christian de Duve (Belgian biologist, 1917-2013) (Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1974, with A. Claude and G. Palade for their discoveries concerning the structural and functional organization of the cell ) Insulin, glucagon The enzyme activity of glucose-6-phosphatase was mostly associated with ΕΔ Τhe cell contains distinct compartments with characteristic enzyme activities Acid phosphatase (easily measured) Lysosome (His Lab) Peroxisome (enzymes involved on oxidation) only when considered as part of a system involved directly or indirectly in intracellular digestion does the term lysosome describe a physiological unit, 4
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ 25nm-1μm Προέρχονται από το σύμπλεγμα Golgi Απλή λιπιδική διπλοστοιβάδα (Η.Μ) (στοιχειώδη μεμβράνη) Σχεδόν σε όλους τους τύπους ζωικών κυττάρων 5
Χαμηλό ph (μεμβρανική αντλία υδρογόνου) Περιέχουν όλα σχεδόν τα υδρολυτικά ένζυμα του κυττάρου (άριστο ph δράσης =5) Ανενεργά (?) σε ουδέτερο ph (άριστο για τα υπόλοιπα κυτταρικά διαμερίσματα και τα περισσότερα εξωκυττάρια υγρά)-leakage (θετική ιστοχημική αντίδραση) counter transport of Cl- ions by Cl - /H + antiporter Δραστικότητα όξινης φωσφατάσης-(ιστοχημική ανίχνευση): ορισμός Lys Lys-tag: specifically tagged with mannose 6-phosphate to differentiate them from other enzymes (receptors in Golgi) 6
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ Τεράστια μορφολογική ετερογένεια (μέγεθος, εσωτερική οργάνωση) Ως πεπτικά οργανίδια Διαδοχικές μορφολογικές φάσεις ανάλογα: Στάδιο πέψης Είδος ενζύμων Είδος μορίων/οργανιδίων που αποικοδομούν 7
Ενδοσώματα Δίκτυο κυστιδίων Περιέχουν υλικό ενδοκύττωσης (Μορφολογικά/Λειτουργικά ) Είδη Λυσοσωμάτων: Πρωτογενή λυσοσώματα Δευτερογενή λυσοσώματα Φαγοσώματα (πεπτικά / κυτταροφαγικά χυμοτόπια) Αυτοφαγικά χυμοτόπια Πολυκυστιδιακά σωμάτια Υπολειπόμενα σωμάτια (αρχική βιογένεση από ΕΔ και Golgi) Από σύντηξη 1 ο γενούς Λ (+) ενδοσώματος Από σύντηξη με κυτταροφαγικό κυστίδιο Προκύπτουν κατά την πέψη οργανιδίων και άλλων cyt υλικών Μεμβρανικά σφαιρικά κατάλοιπα (προκύπτουν κατά την πέψη) Με αδιάλυτες ουσίες 8
(Μορφολογικά/Λειτουργικά ) Είδη Λυσοσωμάτων: Πρωτογενή λυσοσώματα Δευτερογενή λυσοσώματα Γεμάτα από υδρολυτικά ένζυμα αλλά δεν έχουν ακόμα εμπλακεί σε διαδικασία πέψης (αχρησιμοποίητη συλλογή υδρολυτικών ενζύμων) Προέρχονται από τη σύντηξη ενός πρωτογενούς Lys με ένα φαγόσωμα Δευτερογενή λυσοσώματα Φαγοσώματα (πεπτικά / κυτταροφαγικά κενοτόπια ή ετεροφαγοσώματα) Αυτοφαγοσώματα (αυτοφαγικά κενοτόπια) Υπολειπόμενα σωμάτια Από σύντηξη με κυτταροφαγικό κυστίδιο Προκύπτουν κατά την πέψη οργανιδίων και άλλων cyt υλικών Με αδιάλυτες ουσίες 9
Ειδικού τύπου Λυσοσώματα: Μελανοσώματα (μελανοκυττάρων επιδερμίδας) Χυμοτόπια φυτικών κυττάρων και μυκήτων diverse in structure and function Τα λυσοσώματα των φυτικών κυττάρων? (??? Όχι κλασσικά Lys ζωικών κυττάρων) Enzymes, lack of exocytosis Σύνθεση μελανίνης Περιβάλλονται από τονοπλάστη (κυτταροπλασματική μεμβράνη) Αποκόπτονται από την πλευρά εξόδου του Golgiσυγχωνεύονται σε μεγαλύτερα οργανίδια (30-90%) «Αποθήκη» χρήσιμων ή άχρηστων για το κύτταρο ουσιών (νερό, ανόργανα άλατα, σάκχαρα, αμινοξέα, μεταλλικά ιόντα, υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες και χρωστικές πχ. ανθοκυάνες) Υδρολυτικά ένζυμα σε όξινο περιβάλλον (V-ATPάση): Αποικοδόμηση κυτταρικών συστατικών (αυτοφαγία), προγραμματισμένη αυτόλυση φυτικού κυττάρου ΩΣΜΩΡΥΘΜΙΣΗ 10
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Κυτταρικές δραστηριότητες που συμμετέχουν: 1. Θρέψη 2. Άμυνα 3. Πέψη 4. Ανακύκλωση μεταβολιτών (molecular turnover) 5. Διαφοροποίηση 6. Aνακύκλωση υποδοχέων 7. Αυτοφαγία 8. Κυτταρικός θάνατος 9. Εξωκυττάριες δράσεις (εξωκυττάρωση/έκκριση σε ορισμένους τύπους κυττάρων) 11
ΠΕΨΗ ΥΛΙΚΩΝ Τα υδρολυτικά ένζυμα Lys πέπτουν συνήθως υλικό: 1) που προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου (ΕΤΕΡΟΦΑΓΙΑ) Κυτταροποσία / Κυτταροφαγία (ενδοκύτωση) Ολόκληρα κύτταρα (ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ) 2) Συστατικά του ίδιου του κυττάρου (ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ) 12
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 13
Πληθυσμός Lys/cell: Όσα προσλαμβάνουν πολλά μακρομόρια (απορροφητικά κύτταρα πχ. εντερικό επιθήλιο): άφθονα Λιγότερο απορροφητικά (πχ. κύτταρα παγκρέατος): λίγα 14
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Αποικοδόμηση Βιομορίων Διάσπαση βιομορίων/μακρομορίων στους δομικούς τους λίθους (προϊόντα υδρόλυσης) διαπερνούν Λ-μεμβράνη κυτοσόλιο Πρωτεΐνες: εγκλωβίζονται σε 2 o γενή Lys διπεπτίδια cyt aa Yδατάνθρακες: μονοσακχαρίτες (δεξτράνη, σελλοβιόζη, ινουλίνη: δεν πέπτονται στα Lys) The breakdown products are then transported back to the cytosol by specific transporter proteins embedded in the Lys membrane a pathway which facilitates the egress of Lys degradation products to other cell organelles and membranes for subsequent use in biosynthetic processes 15
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑ + ΚΥΣΤΙΔΙΟ ΠΕΨΗ διάμεσου υδρολυτικών ενζύμων Λ Σύντηξη δύο μεμβρανών (τα βιομόρια δεν διαπερνούν τη Λ-μεμβράνη) Αναγνώριση της μιας μεμβράνης από την άλλη 16
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Σε ορισμένες περιπτώσεις (συγκεκριμένα κύτταρα και βιολογικές ανάγκες) τα υδρολυτικά ένζυμα δρουν στο εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου Εξωκυττάρωση Lys ενζύμων από το 1 ο -γενές λυσόσωμα με μεσολάβηση ειδικών υποδοχέων μεταφοράς (και ελεγχόμενη λύση cyt πρωτεϊνών) 17
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Γονιμοποίηση σε ζωικούς οργανισμούς ΣΠΕΡΜΑΤΟΖΩΑΡΙΟ ΑΚΡΟΣΩΜΙΚΟ ΚΥΣΤΙΔΙΟ (ακρόσωμα) Υδρολυτικά ένζυμα (υαλουρονιδάση και όξινη φωσφατάση) διάτρησης μεμβράνης ωαρίου Δημιουργία διαύλου εισαγωγής σπερματοζωαρίου 18
Ενδοκυτάρωση-εξωκυττάρωση https://www.youtube.com/watch?v=a7z3eehvika https://www.youtube.com/watch?v=4gltk8yc1zc 19
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυττάρωση: είσοδος εξωκυττάριου υλικού στο κύτταρο Κυτταροποσία Video-2 20
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Κυτταροποσία Κυτταροφαγία Γρήγορη πρόσληψη: υγρού, διαλυτού εξωκυττάριου υλικού (ιόντα, μικρά μόρια & πρωτεΐνες) Κυστίδια: 0.1-0.2 μm (150nm) Πρόσληψη: αδιάλυτων, μεγάλων διακριτών υλικών ή ολόκληρων κυττάρων Κυστίδια: 1-2 μm 21
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυτάρωση: Φαγοκυττάρωση: Πρωτογενή Δευτερογενή (πεπτικά/φαγόσωμα) Λυσοσώματα https://www.youtube.com/watch?v=lam7btcxny0 22
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυτάρωση: 1. εσωτερικοποίηση (internalization) τμημάτων πλασματικής μεμβράνης (100% σε 1h!) 2. ανακύκλωση συστατικών μεμβράνης (γρήγορη ανακατανομή υποδοχέων, σημάτων αναγνώρισης κλπ) 3. Λ: διάσπαση βιομορίων στους δομικούς τους λίθους, διαπερνούν τη μεμβράνη, χρησιμοποιούνται στο cyt 23
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 70 Υδρολυτικά Ένζυμα (υδρολάσες) Ενεργά σε όξινο περιβάλλον Λ Α 1 Α 2 (+) Η 2 Ο Α 1 Η (+) Α 2 ΟΗ Λυσοσωμική Υδρολάση Αντλία εισαγωγής Η + (ΑΤΡ-άση) (διατηρεί χαμηλό ph στο Λ) Μεμβρανικές, όξινες, γλυκοζυλιωμένες IgpA, IgpB (προστασία μεμβράνης Λ από αποικοδόμηση λόγω επαφής με υδρολυτικά ένζυμα) 24
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ 1. Υγρής φάσης (FPP, Fluid Phase Pinocytosis) Μη εκλεκτική- Απορροφώνται μεγάλες ποσότητες εξωκυττάριου υγρού Εξωκυττάρια ουσία που διεγείρει τη μεμβράνη 2. Με μεσολάβηση υποδοχέων (RMP, Receptor Mediated Pinocytosis) Υψηλής αποδοτικότητας και εκλεκτικότητας πρόσληψη- Απορροφώνται υψηλές συγκεντρώσεις πρωτεΐνης Πρωταρχικός μηχανισμός διατροφής για μονοκύτταρους οργανισμούς πχ αμοιβάδα 25
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων εξωκυττάρια πρωτεΐνη καλυμμένες εσοχές εγκόλπωση εσοχών ανακύκλωση υποδοχέα καλυμμένα κυστίδια κλαθρίνης (50-250nm) adaptins 2) αποθήκευση σε κυστίδια πρώιμο ενδόσωμα 26
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Καλυμμένα κυστίδια κλαθρίνης: πακετάρισμα, διαλογή και ενδοκυττάρια μεταφορά μορίων. Με σωματίδια ψυκτοεξάχνωσης 20% μεγαλύτερα σε σχέση με αυτά πλασματικής μεμβράνης 27
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Ταχεία διαδικασία πρόσληψης μακρομορίων πχ. πρωτεϊνών (1g πρωτεΐνης/ημέρα, πχ. ωοκύτταρα όρνιθας) Συνήθης χρόνος εσωτερίκευσης προσλαμβανόμενης ουσίας: 10 min Προσλαμβανόμενη ουσία: 1) Διάσπαση από Lys 2) Αποθήκευση σε κυστίδια 28
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ (πεπτικά Λ) δομικοί λίθοι (αμινοξέα, σάκχαρα κλπ) cyt 29
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Εξαιρέσεις: 1. Διακύτωση: ενδοκυττωτικά κυστίδια κυτταροποσίας διασχίζουν το κύτταρο και φτάνουν στην «απέναντι» πλευρά της πλασματικής μεμβράνης όπου μετά από σύντηξη εξωκυτταρώνουν το περιεχόμενό τους (μεταφορά ουσιών σε επιθηλιακά και ενδοθηλιακά κύτταρα) 2. Απευθείας πρόσληψη/έξοδος μακρομορίων χωρίς τη μεσολάβηση κυστιδίων (καλυμμένων ή εκκριτικών) (Ανταλλαγή DNA ανάμεσα σε βακτήρια, ενσωμάτωση cyt πρωτεϊνών σε οργανίδια) Predescu S A et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2007;293:L823-L842 30
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα (TSH, insulin, Fe (transferin) κλπ) Χοληστερίνη (παράγεται στο ήπαρ, λαμβάνεται από τροφές) Αδιάλυτη στο νερό και στα υγρά σώματος Μεταφέρεται στο αίμα με τη μορφή ενός γιγαντιαίου συμπλόκου: LDL Διάμετρος: 22nm 1500 μόρια εστεροποιημένης σε λιπαρά οξέα χοληστερίνης, 800 φωσφολιπίδια, 500 μόρια μη-εστεροποιημένης χοληστερίνης, Απολιποπρωτεϊνη-Β (ειδική δέσμευση στους υποδοχείς της στην κυτταρική επιφάνεια) Low Density Lipoprotein particle (type-b) Because blood is an aqueous solution, transportation of non-polar lipids to specific target cells is performed by special transport mechanisms. Αpolipoproteins A, B, and E serve to bind the lipoprotein particle to receptors expressed by target cells that require the cargo of the particle. 31
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα (TSH, insulin κλπ) Atherosclerosis (αρτηριοσκλήρυνση): οι αρτηρίες παχαίνουν και χάνουν την ελαστικότητά τους Εναπόθεση χοληστερίνης στα τοιχώματα αρτηριών LDL: παράγεται στο ήπαρ, μεταφέρει την χοληστερίνη στο αίμα και σε κύτταρα-στόχους. Το σύμπλοκο LDL-χοληστερίνη μπορεί να διηθείται από τα τοιχώματα των αρτηριών. Στα σημεία διήθησης προσελκύονται μακροφάγα, πολλαπλασιάζονται διάφορα μη-φυσιολογικά κύτταρα στα οποία επικάθονται άλατα ασβεστίου και σχηματίζεται ένα ινώδες δίκτυο δημιουργία αθηρωματικής πλάκας και παρεμπόδιση κυκλοφορίας αίματος HDL (υψηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνες): τραβούν έξω από τα τοιχώματα των αρτηριών τη χοληστερίνη και τη μεταφέρουν πίσω στο ήπαρ όπου μεταβολίζεται 32
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα Αποικοδόμηση LDL 33
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα Έλλειψη υποδοχέα (γενετική ασθένεια): η χοληστερόλη εγκλωβίζεται στο αίμα (αθηροσκλήρωση, δυσλειτουργία αγγείων) 34
Lipoprotein receptors mediate uptake of lipoprotein-bound cholesterol. Vertebrate lipoproteins are taken up by the LDL receptor via binding of apolipoproteins B or E present in the shell of the lipoprotein particle. Following endocytosis, the receptor discharges the lipoprotein particle in endosomes before recycling back to the cell surface. Internalized apolipoproteins are degraded in lysosomes, while cholesterol enters the cellular membrane pool via the endoplasmic reticulum (ER) or is converted into steroid hormones in mitochondria or is stored as cholesterol esters in cytoplasmic lipid droplets. The exit of cholesterol from lysosomes requires the activity of Niemann-Pick type C1 (NPC1), an integral membrane protein that acts as transporter for sterols. 35
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Κύτταρα, μικροοργανισμοί, σωματίδια, μεγάλα μακρομόρια Διάσπαση από ένζυμα Λυσοσωμάτων Πρωτόζωα Ανώτεροι οργανισμοί Αποκλειστικός τρόπος πρόσληψης τροφής Ειδικά/εξειδικευμένα κύτταρα (μακροφάγα, πολυμορφοπύρηνα ουδετερόφιλα) Video-1 36
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ 2 ΦΑΣΕΙΣ: ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ Μορίων ή Κυττάρων προς «Φάγωμα» Ενίοτε προηγείται ΚΑΛΥΨΗ με ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΑ προ της πρόσληψης από τα ΦΑΓΟΚΥΤΤΑΡΑ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ Φαγοκυττάρων προς ΞΕΝΑ Μόρια ή Κύτταρα Αναδιάρθρωση ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ 37
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Εκκαθάριση γηρασμένων RBCs από μακροφάγα σπλήνα Erythrophagocytosis where RBC are coated with IgG and C3 38
Figure 10.3 Electron micrographs of the splenic specimens examined by TEM. A: exocytosis in a red cell is shown by an arrow. B: marked endocytosis in a spherocyte is indicated by arrows. C: Three phagocytized spherocytes (Sph) by a macrophage in the spleen. D: Red cells (R), which are phagocytized, are partially digested in the cyt of macrophage. N: nucleus. 39
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Όταν δεν υπάρχουν τα κατάλληλα LYS ένζυμα για διάσπαση (πχ. φαγοκυττάρωση χαλαζία), οι ουσίες παραμένουν μέσα στα λυσοσώματα που μετατρέπονται σε ΥΠΟΛΕΙΠΟΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΑ Κατάλοιπα λυσοσωμικής πέψης Χαρακτηριστικό γήρανσης ή λυσοσωμικών ασθενειών 1 ο γενή-λυσ (χωρίς ένζυμα) + ετεροφαγικό ή αυτοφαγικό κυστίδιο Τα υπολειπόμενα σωμάτια (ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο): 1) Αποβάλλονται από το κύτταρο (πχ. αμοιβάδα) 2) Παραμένουν εκεί (σωμάτιο που περιέχει κοκκία λιποφουσκίνης) Αιτία γήρανσης κυττάρων, ιδιαίτερα όσων ζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα (πχ. νευρικά κύτταρα) 40
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ανάλογα με το είδος του κυττάρου: Σύντηξη με «κυτταροφαγικό κυστίδιο» (περιέχει ολόκληρα κύτταρα) «Πεπτικό χυμοτόπιο» (2 ο -γενές Λυσόσωμα) κυστίδιο με Αυτοφαγία Εγκόλπωση κυτταρικών συστατικών «αυτοφαγικό κυστίδιο» (2 ο γενές Λυσόσωμα) 41
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ 1. Πέψη ενδοκυτταρικών συστατικών / μακρομορίων/ οργανιδίων (που δεν είναι πλέον απαραίτητα ή είναι βλαπτικά) (mit, ΕΔ, ριβοσώματα, γλυκογόνο, Υπεροξυσώματα κλπ) Γενική ιδιότητα ευκαρυωτικών κυττάρων-εξελικτικά συντηρημένη Φυσιολογική λειτουργία κυττάρου για ανανέωση κυτταρικών συστατικών - Μηχανισμός ανακύκλωσης βιομορίων (δομικοί λίθοι για νέες συνθέσεις) Οργανίδια κυττάρου: σε δυναμική ισορροπία (συνεχώς δημιουργούνται νέα και συνεχώς καταστρέφονται) t 1/2 mit =5-6d, Perox= 4-5d, rrna: 5 Ημέρες (σε Ηπατοκύτταρα) κλπ Ένα μιτοχόνδριο κάθε 10 μπαίνει σε διαδικασία αυτοφαγίας «Απαλλαγή» κυττάρου από περιττά οργανίδια 2. Παραγωγή ενέργειας σε συνθήκες μεταβολικού stress: Σε συνθήκες στέρησης θρεπτικών συστατικών: τα κύτταρα αυτοφαγοκυτταρώνουν (αποικοδομούν) συστατικά του cyt και οργανίδια για να χρησιμοποιήσουν τα δομικά υλικά που θα προκύψουν έτσι ώστε να συντηρήσουν τα μεταβολικά τους επίπεδα (και την ενέργεια) σε επίπεδα συμβατά με τη βιωσιμότητα 42
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Αυτοφαγικό κενοτόπιο (2 ο -γενές Λυσόσωμα) 1) formation and elongation of isolation membranes, or phagophores. 2) (involves the LC3B protein): the cytoplasmic cargo is sequestered, and the double-membrane autophagosome is formed. 3) Fusion of a lysosome with the autophagosome to generate the autolysosome (αυτοφαγικά χυμοτόπια = δευτερογενή Lys), is the penultimate step. 4) Degradation of the cargo 43
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Στάδια αυτοφαγικής πέψης: Autophagy, can be divided into: Macroautophagy: organelle or cytoplasm enclosed in a double membrane Microautophagy: cytoplasmic degradation following engulfment by the lysosome Chaperone-mediated autophagy (CMA): selective transport of cytosolic proteins one-byone to the Lys via specific chaperones Vellodi, A., 2005. Lysosomal storage disorders. Br. J. Haematol. 128, 413 431. Ballabio, A., Gieselmann, V., 2009. Lysosomal disorders: from storage to cellular damage. Biochim. Biophys. Acta 1793, 684 696 Schultz,M.L., Tecedor, L., Chang,M., Davidson, B.L., 2011. Clarifying lysosomal storage diseases. Trends Neurosci. 34, 401 410 Micsenyi, M.C.,Walkley, S.U., 2012. The lysosomal system: physiology and pathology, In: Metha, A.,Winchester, B. (Eds.), Lysosomal Storage Disorders A Practical Guide, 1th edition Wiley- Blackwell (John Wiley & Sons, Ltd). Kaushik, S., Cuervo, A.M., 2012. Chaperone-mediated autophagy: a unique way to enter the lysosome world. Trends Cell Biol. 22, 407 417. 44
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Παρότι γενικό φαινόμενο, επάγεται σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες ή αναπτυξιακά στάδια (υποξία, ανώμαλη κυτταρική αύξηση, μικροβιακή λοίμωξη κλπ) Ο ρυθμός αυξάνεται σε καταστάσεις stress ή τραυματισμού ή έλλειψης τροφής Κατά την ωρίμανση των RBCs καταστρέφονται όλα τα οργανίδιά τους Μήτρα: 2kg κατά τη γέννηση. Μέσα σε 9days 50g (ορμονικά ελεγχόμενη αύξηση αυτοφαγίας και υδρολυτικών ενζύμων) 45
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Στους ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς: 1. η αυτοφαγία είναι μηχανισμός απομάκρυνσης δυνητικά επιζήμιων πρωτεϊνών για προστασία των κυττάρων έναντι ασθενειών και μολύνσεων από διάφορα παθογόνα. 2. Η αυτοφαγία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις αναπτυξιακές και αντιγηραντικές λειτουργικότητες και δράσεις των ζωικών κυττάρων ακαδημαϊκό και βιοϊατρικό ενδιαφέρον 46
ΑΥΤΟΛΥΣΗ Εκλεκτική αυτοκαταστροφή κυττάρων (ΠΚΘ ή παθολογικές καταστάσεις) Κύτταρα που έχουν επιτελέσει το σκοπό τους και η παρουσία τους είναι πλέον βλαπτική για τον οργανισμό Απελευθέρωση υδρολυτικών ενζύμων στο κύτταρο Cancer cell lysosomes are less stable than normal lysosomes. 47
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΣ ΘΑΝΑΤΟΣ Διάφορα ερεθίσματα/κυτταρική σηματοδότηση άμεση ή έμμεση αύξηση διαπερατότητας Lys μεμβράνης (lysosomal membrane permeabilization, LMP) απελευθέρωση περιεχομένου lys στο cyt. Οι Lys υδρολάσες (πχ. cathepsins) δυνητικά μεσολαβούν γεγονότα Κυτταρικού Θανάτου: 1) ανεξάρτητα από τα mit 2) είτε διαμέσου ενεργοποίησης (με πρωτεόλυση) μελών της οικογένειας των αποπτωτικών παραγόντων Bcl-2 και ακόλουθη απελευθέρωση άλλων αποπτωτικών παραγόντων (πχ. cytochrome c and AIF) από τα mit. (Groth-Pedersen et al., Cancer Lett 2010) 48
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΚΡΙΝΟΦΑΓΙΑ (crinophagy) Ενδοκυττάρια πέψη του περιεχομένου των εκκριτικών κυστιδίων ύστερα από σύντηξη των κυστιδίων με Λυσοσώματα stimulated διακοπή της έκκρισης (εξωκύτωσης) εκκριτικών κυττάρων Υπόφυση, σιελογόνοι αδένες DM, παγκρεατικά κύτταρα κλπ 49
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΥΡΟΞΙΝΗΣ (T4) ΑΠO ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΘΥΡΕΟΕΙΔΟΥΣ ΑΔΕΝΑ ΘΥΡΕΟΣΦΑΙΡΙΝΗ (dimeric glycoprotein, 660kDa) Έκκριση και Αποθήκευση στον ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟ ΧΩΡΟ thyroid follicular cells (epithelial cells, thyrocytes) Boron WF (2003). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach. Elsevier/Saunders. p. 1300 follicular lumen (θυρεοσφαιρίνη +T4 or T3)=colloid 50
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΥΡΟΞΙΝΗΣ (T4) ΑΠO ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΘΥΡΕΟΕΙΔΟΥΣ ΑΔΕΝΑ Παρουσία ερεθίσματος TSH υπόφυσης (Θυρεοτρόπος Ορμόνη) ΕΝΔΟΚΥΤΩΣΗ Θυρεοσφαιρίνης (colloid) Ενδοκυτωτικά Κυστίδια Σύντηξη με Πρωτογενή Λυσοσώματα Διάσπαση Θυρεοσφαιρίνης σε ΘΥΡΟΞΙΝΗ T4 T4 in thyrocyte cyt Απελευθέρωση σε Τριχοειδή Αγγεία (ΤSH) Επίδραση στην μεταβολική δραστηριότητα πολλών τύπων κυττάρων thyroid follicular cells (epithelial cells, thyrocytes) follicular lumen 51
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΙΝΟΒΛΑΣΤΕΣ και ΟΣΤΕΟΚΛΑΣΤΕΣ: Εξωκυττάρια απελευθέρωση Λυσοσωμικών υδρολυτικών ενζύμων 1. Διάσπαση ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΥ Ιστού (προ της ΟΣΤΕΟΠΟΙΗΣΗΣ) 2. Οστική Αναδόμηση 52
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΝΟΣΟΠΟΙΗΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Φαγοκυττάρωση (ή ενδοκύτωση) ΑΝΤΙΓΟΝΩΝ από ΜΑΚΡΟΦΑΓΑ Διάσπαση σε ΜΙΚΡΑ ΠΕΠΤΙΔΙΑ στα ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Έκθεση στη Μεμβράνη μέσω του MHC class-ii Σύνδεση με Υποδοχέα TCR CD4 + Τ-κυττάρου Ανοσολογική Απόκριση 53
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Λυσοσωμικές ασθένειες «αποθήκευσης» στον άνθρωπο Θεραπεία: κυτταροποσική εισαγωγή λιποσωμάτων (τεχνητών μεμβρανικών κυστιδίων) γεμάτων από το ένζυμο που λείπει 54
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Λυσοσωμικές ασθένειες «αποθήκευσης» στον άνθρωπο The first clinical reports describing what were later shown to be Lysosomal Storage Disorders (LSDs) were published around a hundred years ago (Tay, 1881; Gaucher, 1882; Fabry, 1898; Niemann, 1914; Hunter, 1917). The lysosome itself, however, was only discovered five decades later, by Christian de Duve (de Duve et al., 1955) Pompe disease, a glycogen storage disorder, was due to deficiency of a lysosomal enzyme (acid maltase deficiency; Hers, 1963). lipid storage: lipidoses Sphingolipids: sphingolipidoses Oligosaccharides: oligosaccharidoses 55
Συμπεράσματα The Lys is not actually only a body, but the central coordinator of a remarkably diverse and dynamic system collectively known as the endosomal lysosomal system This organelle and the constituent pathways to which it is linked comprise a processing and recycling center essential to all cells 1. Lysosomes are now known to contain more than 50 acid hydrolases (phosphatases, nucleases, glycosidases, proteases, peptidases, sulfatases and lipases) responsible for the cellular digestion of most macromolecules- Use in biosynthetic processes. 2. The biosynthetic pathway: which is involved in the transport of newly synthesized proteins from the Golgi complex to Lys 3. The endocytic pathway: where extracellular components are internalized linking cells with their external environment 4. The autophagic pathway: an ubiquitous cellular route by which long-lived proteins and whole organelles are sequestered for lysosomal degradation. Operating in close parallel with these pathways is an additional mechanism: the ubiquitin proteasome system (UPS), which is functionally allied with the lysosomal system in maintaining proteolytic quality control mechanisms in eukaryotic cells Coutinho et al., 2015. Gene 555:50-58 56
Συμπεράσματα The endosomal lysosomal system is also intimately involved in the processes of phagocytosis and antigen presentation, which are necessary for regulation of inflammation and control of the immune response against foreign bodies (bacteria, viruses, etc.) It plays a major role in the regulation of apoptotic processes within the cytosol via signal transduction in the secretion of cellular cargo (eg. signaling molecules as neurotransmitters or toxic cellular metabolites) by exocytosis, factors that are all involved in inflammation, oncogenesis and neurodegenerative disorders Lys can also be implied in processes such as cholesterol homeostasis, cell membrane repair (calcium regulated), fertilization, receptor recycling and regulation, cell division, skin pigmentation as well as in bone and tissue remodeling As a whole, the lysosomal system functions as a highly efficient and coordinated network essential for the metabolic homeostasis of the cell Coutinho et al., 2015. Gene 555:50-58 57
Συμπεράσματα Disruption of such carefully orchestrated processes leads necessarily, to catastrophic consequences for cells, organs, and individuals, with nearly 60 different types of lysosomal diseases documented to date (Micsenyi and Walkley, 2012. The lysosomal system: physiology and pathology, In: Metha, A.,Winchester, B. (Eds.), Lysosomal Storage Disorders A Practical Guide, 1th edition Wiley-Blackwell (John Wiley & Sons, Ltd) Over the years the use of combined biochemical, morphological, cellular and molecular methodologies to study the lysosome and its related diseases have been crucial not only to clarify their complex pathobiology but also to expand our view of the lysosome from a degradative organelle to one intimately linked to multiple cellular processes. Nowadays, the lysosome is far from being a stationary compartment. Novel genes and proteins contributing to lysosome function continue to be identified and the list of lysosomal and lysosomal-associated diseases continues to grow. Further understanding of the molecular and cellular pathogenesis of lysosomal diseases will broaden the range of therapeutic targets for LSDs, as well as the opportunity to improve knowledge about the endossomal lysosomal system. The lysosome is no longer viewed as just an end-point degradative compartment, but rather as part of a very complex and interactive set of intracellular organelles that have a wide array of specialized functions 58 Coutinho et al., 2015. Gene 555:50-58