Слияние «поцелуй и беги»
Слияние «поцелуй и беги» - это тип синаптических пузырьков высвобождения , при котором везикула временно открывается и закрывается. При этой форме экзоцитоза везикула стыкуется и временно сливается с пресинаптической мембраной и высвобождает свои нейротрансмиттеры через синапс , после чего везикулу можно использовать повторно. [1] [2]
«Поцелуй и беги» отличается от полного слияния, при котором везикула полностью разрушается в плазматическую мембрану , а затем извлекается с помощью клатрин -зависимого процесса. [3] Идея о том, что нейромедиатор может высвобождаться «квантами» при слиянии синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной, была впервые высказана Бернардом Кацем и Хосе дель Кастильо в 1955 году, когда впервые появились ЭМ-изображения нервных окончаний. Возможность временного слияния и быстрого извлечения мембраны везикул была предложена Бруно Чеккарелли в 1973 году после исследования с помощью электронного микроскопа сильно стимулированных нервно-мышечных соединений лягушки и косвенно подтверждена работами его группы в последующие годы с использованием электрофизиологии и электронной микроскопии. и методы быстрого замораживания. Сам термин «поцелуй и беги» был введен сотрудниками Чеккарелли. [2] после того, как были проведены первые исследования одновременной мембранной емкости и амперометрического высвобождения медиатора, они показали, что секреторные продукты действительно могут высвобождаться во время временного слияния пузырьков. [4] Сегодня ведутся споры о полном слиянии и слиянии по принципу «поцелуй и беги», а также о том, какая модель отображает более точную картину механизмов, лежащих в основе синаптического высвобождения. [5] Повышенное накопление частично пустых секреторных пузырьков после секреции, наблюдаемое на электронных микрофотографиях, является наиболее убедительным доказательством в пользу модели «поцелуй и беги». Накопление частично пустых везикул после секреции предполагает, что во время секреторного процесса только часть содержимого везикул может выйти из клетки, что может быть возможно только в том случае, если секреторные пузырьки временно установят непрерывность с плазматической мембраной клетки, вытолкнут часть их содержимого, затем отсоедините и снова запечатайте.
Открытие
[ редактировать ]Гипотеза о транзиторном слиянии пузырьков была выдвинута Кацем и дель Кастильо в 1955 году. [ нужна ссылка ] Однако первые систематические исследования были проведены Ceccarelli et al. в 1973 году. Ceccarelli et al. изучали нервно-мышечные соединения лягушек, стимулируя их такими маркерами, как пероксидаза хрена , для идентификации эндоцитированных органелл и используя протоколы либо мягкой стимуляции (2 Гц), либо сильной стимуляции (10 Гц) в течение периодов от 20 минут до 4 часов. [1] [6] При низкой стимуляции в течение 4 часов Ceccarelli et al. обнаружили, что с течением времени наблюдалось увеличение количества везикул, меченных пероксидазой хрена, и не было увеличения количества крупных органелл, что указывает на быстрое слияние везикул с пресинаптической мембраной, а затем отделение от нее после высвобождения нейротрансмиттеров. [1] Они предположили, что при низких частотах стимуляции большинство везикул быстро переформируются из пресинаптической мембраны во время и после стимуляции. [1] Дальнейшие исследования в лаборатории Чеккарелли собрали доказательства гипотезы временного слияния путем сравнения электрофизиологических и морфологических данных. В частности, были исследованы изображения слияний везикул на пресинаптических мембранах, разрушенных замораживанием, и на изображениях электронного микроскопа, полученных из терминалей, быстро замороженных через несколько мс после нанесения однократного удара по нерву. [7] В 1993 году Альварес де Толедо и его коллеги напрямую продемонстрировали возникновение высвобождения секреторного продукта во время мгновенного открытия временно сливающейся везикулы, объединив измерение емкости мембраны (которая отслеживает изменения площади поверхности) с амперометрическим обнаружением высвобождения медиаторов. [4] Это привело Fesce et al. [2] резюмировать все косвенные доказательства в пользу временного слияния и ввести термин «поцелуй и беги». Наиболее убедительным доказательством временного слияния, или «поцелуй-и-беги», стало открытие поросомы . [8] постоянная чашеобразная липопротеиновая структура на плазматической мембране клетки, где секреторные пузырьки временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутривезикулярное содержимое из клетки.
Доказательства в пользу поцелуя и беги
[ редактировать ]С открытием Чеккарелли и др. механизма «поцелуй и беги» было проведено множество последующих исследований, которые предоставили доказательства в пользу слияния «поцелуй и беги». Все исследования показали, что существует два основных преимущества слияния «поцелуй и беги» по сравнению с полным слиянием: 1) «поцелуй и беги» обеспечивает более эффективную рециркуляцию везикул и 2) «поцелуй и беги» может ограничить количество нейромедиаторов, высвобождаемых из-за меньшая пора слияния и более короткое время, в течение которого нейротрансмиттеры могут действительно высвободиться. Одна из главных проблем доказательств «поцелуй и беги», а впоследствии и основа многих контраргументов против «поцелуй и беги», заключается в том, что, поскольку слияние очень короткое, очень трудно уловить реальное событие «поцелуй и беги». [9] Однако накопление частично пустых везикул после секреции в значительной степени благоприятствует механизму «поцелуй и беги», предполагая, что во время секреторного процесса только часть содержимого везикул может выйти из клетки, что было бы возможно только в том случае, если бы секреторные везикулы временно установить непрерывность с плазматической мембраной клетки, удалить часть ее содержимого, затем отсоединить и снова запечатать. Поскольку поросомы представляют собой постоянные структуры на клеточной плазматической мембране, размер которых составляет лишь часть размера секреторных пузырьков, это показывает, что секреторные пузырьки «временно» стыкуются и устанавливают непрерывность, а не полный коллапс.
Бета-клетки поджелудочной железы крысы
[ редактировать ]поджелудочной железы крысы Бета-клетки выделяют нейротрансмиттеры посредством слияния «поцелуй и беги». В эндокринных и нейроэндокринных клетках синаптоподобные везикулы (SLV) подвергаются «целованию и бегу», но остается спорным вопрос о том, подвергаются ли большие везикулы с плотным ядром (LDCV) также «целованию и бегу». [10] Исследования показали, что LDCV действительно подвергаются экзоцитозу «поцелуй и беги». [10] [11] Макдональд и др. использовали несколько подходов для проверки экзоцитоза в бета-клетках крыс. Мониторинг мембранных участков интактных бета-клеток крысы в присутствии 10 мМ глюкозы и 5 мМ форсколина MacDonald et al. обнаружили, что некоторые везикулы претерпевали «поцелуй и беги», о чем свидетельствует экзоцитотическое событие, за которым последовало эндоцитотическое событие аналогичной величины. [10] На события «поцелуй и беги» приходилось 25% экзоцитоза LDCV и 28% экзоцитоза SLV. [10] В то время как «поцелуй и беги» LDCV происходил в 25% случаев в присутствии форсколина, в отсутствие форсколина слияние LDCV «поцелуй и беги» происходило только в 7% случаев. [10] Поскольку форсколин повышает уровни циклического АМФ (цАМФ), цАМФ, по-видимому, играет очень важную роль в механизме слияния LDCV по принципу «поцелуй и беги» в бета-клетках поджелудочной железы крыс.
Было показано, что поры слияния SLV (диаметр пор: 0,8 +/- 0,1 нм) и LDCV (диаметр пор: 1,4 +/- 0,1 нм) во время «поцелуй и беги» достаточно велики, чтобы обеспечить выход гамма-аминомасляной кислоты ( ГАМК) и аденозинтрифосфат (АТФ), но они слишком малы, чтобы высвобождать инсулин в бета-клетках поджелудочной железы крыс. [10] Таким образом, механизм «поцелуй и беги» может быть связан с медицинскими осложнениями, связанными с инсулином.
Синапсы гиппокампа
[ редактировать ]Было показано, что экзоцитоз «поцелуй и беги» происходит в синапсах нейронов, расположенных в гиппокампе . Исследования с использованием FM1-43, амфифильного красителя, введенного в везикулы или мембраны в качестве маркера, сыграли важную роль в поддержке «поцелуй и беги» в синапсах гиппокампа. Было показано, что в синапсах гиппокампа везикулы обеспечивают нормальное высвобождение глутамата , возбуждающего нейромедиатора в мозге, не позволяя красителю FM1-43 проникать в везикулу или выходить из нее, что указывает на временный механизм, напоминающий поцелуй и беги. [12] увеличение осмолярности Также было показано, что позволяет уменьшить высвобождение красителя в синапсах гиппокампа. В различных гипертонических растворах из везикул, стимулированных 0,5 осМ, высвобождалось на 70% больше красителя FM1-43, чем из везикул, стимулированных 1,5 осМ. [12] Таким образом, везикулы, расположенные в гипертонических областях тела, могут с большей вероятностью подвергаться экзоцитозу по принципу «поцелуй и беги».
Митохондрии
[ редактировать ]Митохондрии демонстрируют слияние по типу «поцелуй и беги» при обмене веществами внутренней мембраны . Исследования с использованием зелено-фотоактивируемого, красно-флуоресцентного KFP, нацеленного на митохондриальный матрикс, и голубо-фотоактивируемого, зелено-флуоресцентного PAGFP в клетках крысы показали взаимодействия, при которых KFP и PAGFP переносились из одной митохондрии в другую посредством временного слияния, что предполагает поцелуй. и ходовой механизм. [13] В отличие от полного слияния митохондрий, в результате которого образовалась одна органелла, временное слияние двух митохондрий по принципу «поцелуй и беги» привело к образованию двух отдельных мембран. [13]
Манипулирование геном оптической атрофии 1 (Opa1) оказало интересное влияние на слияние митохондрий. Замалчивание гена Opa1 снижало активность полного слияния митохондрий через 24 часа, а активность полного слияния полностью устранялась после молчания гена Opa1 в течение 48 часов. [13] Временная активность слияния «поцелуй и беги» осталась прежней после 24 часов молчания Opa1. [13] Слияние по принципу «поцелуй и беги» чаще всего встречается при низких уровнях экспрессии гена Opa1 и чрезвычайно высоких уровнях экспрессии гена Opa1. В результате экспрессия Opa1 управляет слиянием митохондрий в отношении поцелуя и беги.
Слияние митохондрий по принципу «поцелуй и беги» помогает поддерживать митохондрии в состоянии пониженной подвижности в течение более короткого периода времени по сравнению с полным слиянием. Лю и др. проверили как «поцелуй и беги», так и полное слияние, а также их влияние на подвижность митохондрий и обнаружили, что обе формы слияния сначала приводят к снижению подвижности митохондрий, но слияние «поцелуй и беги» восстанавливает и даже увеличивает подвижность митохондрий сразу после мероприятие «поцелуй и беги» закончилось. [13] Слияние «поцелуй и беги» обеспечивает лучший механизм контроля биоэнергетики митохондрий , чем полное слияние.
Регулирование
[ редактировать ]Кальций-зависимое актиновое покрытие
[ редактировать ]Считалось, что слияние «поцелуй и беги» стабилизируется актиновым покрытием везикул. Тестирование поглощения FM1-43 везикулами, чтобы отметить, когда везикулы сливаются с мембраной, позволило исследователям заметить, что покрытие актином является необходимым шагом для механизма «поцелуй и беги». Везикулы, меченные бета-актин- зеленым флуоресцентным белком (GFP), флуоресцировали через несколько секунд после слияния с пресинаптической мембраной (как показано поглощением FM1-43), но неслитые везикулы никогда не флуоресцировали, что позволяет предположить, что для поцелуя требуется актиновое покрытие. и - беги. [14] Это актиновое покрытие образовалось в результате полимеризации мономеров актина.
Процесс покрытия актином, необходимый для временного слияния «поцелуй и беги», опосредован кальцием. Актиновое покрытие везикул ингибировалось BAPTA-AM, который удаляет кальций. В отсутствие кальция при использовании BAPTA-AM все слитые везикулы оставались прикрепленными к пресинаптической мембране, но не высвобождали свои нейротрансмиттеры, что позволяет предположить, что кальций необходим для образования актинового покрытия и что актиновое покрытие отвечает за этот механизм. для разгрузки везикул или высвобождения везикул. [14]
Миозин II
[ редактировать ]Экзоцитоз «поцелуй и беги» регулируется миозином II. Исследования с использованием флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRFM) в нейроэндокринных клетках PC12 показали, что миозин II регулирует динамику пор слияния во время экзоцитоза «поцелуй и беги». [15] Сверхэкспрессия нормальной регуляторной легкой цепи миозина II (RLC) в ткани, меченной mRFP (мономерным красным флуоресцентным белком), и ткани головного мозга, меченной Венерой, приводила к пролонгированной кинетике высвобождения, тогда как сверхэкспрессия мутантной формы RLC миозина II к короткому укороченному высвобождению. кинетика. [15] Кинетика длительного высвобождения указывает на более медленное закрытие поры слияния, поэтому миозин II также регулирует количество нейротрансмиттера, высвобождаемого во время экзоцитоза «поцелуй и беги».
ЛОВУШКИ
[ редактировать ]Существует много научных дискуссий по поводу роли белков SNARE в экзоцитозе «поцелуй и беги». Белки SNARE опосредуют слияние везикул - экзоцитоз везикул с пресинаптической мембраной в поре слияния. Когда везикула сливается с пресинаптической мембраной, происходит переход SNARE из транс- положения в цис -положение с последующей диссоциацией SNARE. [16] Считалось, что этот процесс необратим. Однако если происходит экзоцитоз поцелуй и беги, то это позволяет предположить, что происходит обратимая ассоциация белков SNARE и опосредует режим экзоцитоза поцелуй и беги. [16] Манипулирование белками SNARE во время «поцелуй и беги» может дать больше понимания того, как эти два фактора связаны, и необходимы дополнительные научные исследования.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Чеккарелли, Б.; Херлбат, В.П.; Мауро, А. (1973). «Обмен медиатора и синаптических везикул в нервно-мышечном соединении лягушки» . Журнал клеточной биологии . 57 (2): 499–524. дои : 10.1083/jcb.57.2.499 . ПМК 2108980 . ПМИД 4348791 .
- ^ Jump up to: а б с Фес, Р; Гроховаз, Ф; Валторта, Ф; Мелдолези, Дж (1994). «Высвобождение нейромедиаторов: слияние или« поцелуй и беги »?». Тенденции в клеточной биологии . 4 (1): 1–4. дои : 10.1016/0962-8924(94)90025-6 . ПМИД 14731821 .
- ^ Хойзер, Дж. Э.; Риз, Т.С. (1973). «Доказательства рециркуляции мембраны синаптических пузырьков во время высвобождения медиатора в нервно-мышечном соединении лягушки» . Дж. Клеточная Биол . 57 (2): 315–344. дои : 10.1083/jcb.57.2.315 . ПМК 2108984 . ПМИД 4348786 .
- ^ Jump up to: а б Альварес де Толедо, Г; Фернандес-Чакон, Р; Фенрандес, Дж. М. (1993). «Высвобождение секреторных продуктов во время временного слияния пузырьков». Природа . 363 (6429): 554–558. Бибкод : 1993Nature.363..554D . дои : 10.1038/363554a0 . ПМИД 8505984 . S2CID 4316497 .
- ^ Он, Л.; Ву, LG (2007). «Дебаты о слиянии синапсов поцелуй и беги». Тенденции в нейронауках . 30 (9): 447–455. дои : 10.1016/j.tins.2007.06.012 . PMID 17765328 . S2CID 14792145 .
- ^ Чеккарелли, Б.; Херлбат, В.П.; Мауро, А. (1972). «Уничтожение везикул нервно-мышечных соединений лягушки путем длительной тетанической стимуляции» . Журнал клеточной биологии . 54 (1): 30–38. дои : 10.1083/jcb.54.1.30 . ПМК 2108853 . ПМИД 4338962 .
- ^ Торри-Тарелли, Ф; Гроховаз, Ф; Фес, Р; Чеккарелли, Б. (1985). «Временное совпадение между слиянием синаптических пузырьков и квантовой секрецией ацетилхолина» . Дж. Клеточная Биол . 101 (4): 1386–1399. дои : 10.1083/jcb.101.4.1386 . ПМК 2113930 . ПМИД 2995407 .
- ^ Ли Дж.С., Джеремик А., Шин Л., Чо В.Дж., Чен Икс, Йена Б.П. (2012). «Нейрональный поросомный протеом: молекулярная динамика и архитектура» . J Протеомика . 75 (13): 3952–62. дои : 10.1016/j.jprot.2012.05.017 . ПМК 4580231 . ПМИД 22659300 .
- ^ Риццоли, СО; Ян, Р. (2007). «Поцелуй и беги, коллапс и «легко извлекаемые» везикулы» . Трафик . 8 (9): 1137–1144. дои : 10.1111/j.1600-0854.2007.00614.x . ПМИД 17645434 . S2CID 12861292 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Макдональд, ЧП; Браун, М.; Гальвановскис, Ю.; Рорсман, П. (2006). «Высвобождение небольших передатчиков через поры слияния в β-клетках поджелудочной железы крысы» . Клеточный метаболизм . 4 (4): 283–290. дои : 10.1016/j.cmet.2006.08.011 . ПМИД 17011501 .
- ^ Арталехо, ЧР; Эльхамдани, А.; Палфри, ХК (1998). «Секреция: везикулы с плотным ядром тоже могут целоваться и убегать» . Современная биология . 8 (2): Р62–Р65. дои : 10.1016/s0960-9822(98)70036-3 . ПМИД 9427637 .
- ^ Jump up to: а б Стивенс, CF; Уильямс, Дж. Х. (2000). « Экзоцитоз «Поцелуй и беги» в синапсах гиппокампа» . Труды Национальной академии наук . 97 (23): 12828–12833. Бибкод : 2000PNAS...9712828S . дои : 10.1073/pnas.230438697 . ЧВК 18849 . ПМИД 11050187 .
- ^ Jump up to: а б с д и Лю, X.; Уивер, Д.; Сирихай, О.; Хайноцкий, Г.Р. (2009). «Митохондриальные« поцелуй и беги »: взаимодействие между подвижностью митохондрий и динамикой слияния-деления» . Журнал ЭМБО . 28 (20): 3074–3089. дои : 10.1038/emboj.2009.255 . ПМК 2771091 . ПМИД 19745815 .
- ^ Jump up to: а б Миклавц, П.; Виттекиндт, Огайо; Фелдер, Э.; Дитл, П. (2009). «Ca2+-зависимое актиновое покрытие ламеллярных тел после экзоцитотического слияния: необходимое условие для выпуска контента или «поцелуй и беги». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1152 (1): 43–52. Бибкод : 2009NYASA1152...43M . дои : 10.1111/j.1749-6632.2008.03989.x . ПМИД 19161375 . S2CID 22589470 .
- ^ Jump up to: а б Аоки, Р.; Китагути, Т.; Оя, М.; Янагихара, Ю.; Сато, М.; Мияваки, А.; Цубои, Т. (2010). «Продолжительность открытия пор слияния и количество выделяемого гормона регулируются миозином II во время экзоцитоза «поцелуй и беги». Биохимический журнал . 429 (3): 497–504. дои : 10.1042/BJ20091839 . ПМИД 20528772 . S2CID 13640188 .
- ^ Jump up to: а б Палфри, ХК; Арталехо, ЧР (2003). «Секрет: Поцелуй и беги, снятый на пленку» . Современная биология . 13 (10): 397–399 рэндов. дои : 10.1016/s0960-9822(03)00320-8 . ПМИД 12747851 . S2CID 12807086 .