Клеточная поверхность: рецепторы, рециклирование мембран и передача сигналов

Клеточная поверхность: рецепторы, рециклирование мембран и передача сигналов

Введение

Все клетки должны иметь механизмы, позволяющие им контролировать состояние окружающей среды и отвечать на происходящие в ней изменения. В плазматических мембранах бактериальных, растительных и животных клеток содержится множество специализированных рецепторных молекул, которые, взаимодействуя с внеклеточными компонентами, вызывают специфические клеточные ответы. Одни рецепторы связывают питательные вещества или метаболиты, другие - гормоны или нейромедиаторы, третьи участвуют в межклеточном узнавании и адгезии или связывании клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточной среды. Работа большинства рецепторных систем включает следующие стадии: 1) связывание лиганда или агониста с рецептором, расположенным на клеточной поверхности; 2) передачу внутрь клетки информации о связывании вещества с рецептором; 3) клеточный ответ, который в свою очередь делится ни первичный и вторичный. Эта бурно развивающаяся область исследований благодаря применению молекулярно-биологических подходов имеет блестящие перспективы. Становится ясно, что многочисленные, на первый взгляд не связанные друг с другом рецепторные системы имеют в своей основе много общего. Идентифицировано несколько семейств рецепторных белков с гомологичными первичными структурами; каждый белок связывается с характерным для него лигандом, что вызывает специфический клеточный ответ. Такие «суперсемейства» состоят из структурно родственных, но функционально различающихся белков. Это предполагает наличие неких модульных конструкций не только среди рецепторных белков в пределах данного семейства, но также среди других компонентов рецепторных систем, так что варианты одной и той же основной структуры рецепторного белка могут удовлетворять разнообразные потребности различных типов клеток, взаимодействующих с разными эффекторами. В частности, совершенно очевидна ключевая роль

Таблица 1. Некоторые суперсемейства структурно родственных рецепторов у эукариот

GTP_связывающих белков и продуктов распада фосфатидилинозитола в самых разных системах.

Мы рассмотрим также тесно связанный с предыдущим вопрос о динамических свойствах самой клеточной поверхности, в частности поверхности животной клетки. Рассмотрим динамическое равновесие между плазматической мембраной животной клетки и пулом внутриклеточных мембранных везикул, называемых эндосомами или рецептосомами, которые отшнуровываются от плазматической мембраны и способны опять с ней сливаться. Все это является частью сложного механизма внутриклеточного мембранного транспорта, протекающего также с участием других клеточных мембранных органелл, например комплекса Гольджи и лизосом. При поступлении соответствующих сигналов специфические белки плазматической мембраны, инкапсулированные во внутреннем мембранном пуле, быстро высвобождаются и оказываются на поверхности мембраны в активной форме. Некоторые макромолекулы, например липопротеииы низкой плотности, поглощаются клетками путем захвата отшнуровывающихся от плазматической мембраны везикул в процессе, называемом рецепторзависимым эидоцитозом.

1. Поверхность животной клетки

Прежде чем переходить к обсуждению структур различных мембраносвязанных рецепторов и механизмов индукции клеточного ответа, полезно рассмотреть строение поверхности животной клетки, поскольку большинство исследований в этой области выполнено на клетках животных. Плазматическую мембрану отличают от других клеточных мембран две особенности.

Относительно высокое содержание холестерола. Оценить долю холестерола клетки, находящуюся в плазматической мембране, довольно трудно, но ясно, что она весьма существенна. Высоким содержанием холестерола отличаются и другие мембранные структуры эндоцитозного пути. Еще один липид, содержащийся в значительных количествах в этих мембранах, - сфингомиелин.

Относительно высокое содержание гликопроизводных. Гликопроизводиые содержатся не только в плазматической мембране. Однако они присутствуют в ней в большом количестве. Все углеводные группы гликопротеинов плазматической мембраны находятся на наружной поверхности клетки, и зная места их прикрепления, можно определить аминокислотные остатки мембранных белков, обращенные наружу. Большинство белков плазматической мембраны гликозилированы. Полезно также помнить, что некоторые белки плазматической мембраны прикрепляются к ней с помощью фосфоинозитола и могут высвобождаться под действием фосфолипазы С, а другие белки присоединяются через ковалентно связанные жирные кислоты.

Физико-химические свойства холестерола в составе модельных мембран широко исследовались, однако функциональная роль холестерола в плазматической мембране до сих пор неизвестна. Далека от выяснения и биологическая функция углеводных частей гликолипидов и гликопротеинов.

В качестве примера рассмотрим поверхность эритроцита. Два преобладающих в этой мембране белка - белок полосы 3 и гликофории А - являются достаточно хорошо охарактеризованными гликопротеинами. Около 75°7» всех моносахаридов клеточной поверхности входит в состав гликопротеинов, а остальные 25% содержатся в гликолипидах, которые состоят из простых глобозидов и длинноцепочечных полилактозаминцерамидов. Эти гликолипиды составляют лишь несколько молярных процентов от общего количества липидов. Основные углеводсодержащие компоненты мембраны эритроцитов схематически представлены на рис. 9.1; указана максимальная протяженность Углеводных цепей. Рис. 9.2 иллюстрирует поверхность эритроцита в истинном масштабе, дающем представление о расстоянии между различными гликопроизводными. На самом деле углеводные цепи не выступают над клеточной поверхностью так, как это изображено на рис. 9.1 и 9.2, однако эти структуры, вероятно, играют важную роль при взаимодействии клеток с их окружением.

Углеводсодержащие соединения придают клеточной поверхности ярко выраженный гидрофильный характер. При этом отрицательный заряд в значительной степени определяется остатками сиалоных кислот, которые составляют семейство производных нейраминовой кислоты. В некоторых случаях сиаловые кислоты маскируют специфические сайты узнавания на молекулах клеточной поверхности. Существенно, что гликопроизводные определяют свойства участка, выступающего над клеточной поверхностью на ~ 100 А. Кроме того, эти специфические компоненты обладают уникальными биологическими функциями.

Так, было показано, что углеводные компоненты гликолипидов и гликопротеинов изменяются при развитии и дифференцировке клетки и могут служить антигенными маркерами, ассоциированными с опухолями. Ганглиозиды, представляющие собой содержащие сиаловую кислоту гликосфинголипиды, служат местом связывания холерного и столбнячного токсинов. Что еще более интересно - ганглиозиды непосредственно участвуют в регуляции процессов клеточного роста и дифференцировки, а также, по-видимому, воздействуют на фосфорилирование рецептора фактора роста эпидермиса - возможно, путем прямого взаимодействия. При этом роль углеводного компонента гликопротеинов, и особенно рецепторных белков, не совсем ясна. Гликозилирование может играть модулирующую или регуляторную роль при функционировании некоторых рецепторов, необходимых для межклеточной адгезии.

2. Рецепторы, определяющие клеточную адгезию

Один из основных классов рецепторов клеточной поверхности участвует в клеточной адгезии. Этот класс включает рецепторы, которые необходимы для узнавания клетками друг друга и для их адгезии, а также рецепторы, ответственные за связывание клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточного матрикса, такими, как фибронектин или коллаген у животных. За связывание ответственны взаимодействия, как между белками, так и между белками и сахарами. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии крайне важна для эмбрионального развития; выявлены некоторые компоненты клеточной поверхности, необходимые для этого. У взрослого животного адгезивные взаимодействия «клетка - клетка» и «клетка - матрикс» продолжают оставаться существенными для поддержания стабильности тканей. Те специфические системы, которые удалось исследовать, включают межклеточное узнавание при иммунном ответе, при миграции лимфоцитов к местам их назначения и при индукции адгезивных свойств у тромбоцитов при свертывании крови. Большую роль в исследовании этих систем сыграло использование методов молекулярной биологии, выявившее структурные взаимосвязи между рецепторами. Рассмотрим некоторые из рецепторов адгезии.

2.1 Cвязывание бактерий с гликолипидами

Множество бактерий образуют колонии на твердых субстратах, а в некоторых случаях прилипают к специфическим поверхностям. Из бактериальных структур, участвующих в этом процессе, лучше всего охарактеризованы ворсинки. Это длинные нитевидные отростки, не имеющие аналогов среди высших организмов. Примером могут служить ворсинки, обнаруженные у патогенных штаммов Е. coli, которые вызывают инфекционные заболевания мочевых путей человека. Ворсинка содержит -1000 белковых молекул, образующих спираль, на конце которой находится рецепторный белок, специфически связывающийся с дигалактозидсодержащими гликолипидами. Эти липиды присутствуют на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих мочевые пути, где и размножаются бактерии. Заметим, что необходимым условием выполнения адгезином его функций является локализация этого белка на значительном расстоянии от клеточной поверхности, обычно покрытой липополисахаридами. Адгезии функционирует как лектин, т. е. сахаросвязывающий белок.

2.2 «Хоминг» лимфоцитов: стволовым кроветворным клеткам тоже нужны гликопроизводные

Лимфоциты непрерывно циркулируют между кровью и лимфоидными органами. Именно в этих органах концентрируется антиген из всех межклеточных пространств, подвергается процессингу и становится доступным для антигенспецифичных лимфоцитов, вызывая иммунный ответ. Лимфоциты мигрируют между кровотоком и лимфоидными органами по лимфатическим сосудам, и из всех клеток крови только рециркулирующие Т- и В-лимфоциты прилипают к внутренним поверхностям стенок этих сосудов и затем мигрируют к лимфоидным органам. Такая миграция называется «хомингом», и для этого необходимы специфические рецепторы на клеточной поверхности. Хоминг-рецептор - это белок с мол. массой -90 кДа, который ковалентно присоединен к убиквитину. Убиквитин представляет собой низкомолекулярный полипептид, ковалентно связанный с многочисленными цитоплазматическими белками и участвующий во внутриклеточной деградации белков. Роль убиквитина, присоединенного к виецитоплазматическому домену этого рецептора клеточной поверхности, неизвестна. Вероятно, однако, что подобным образом модифицируются и другие белки клеточной поверхности, поэтому такой механизм может иметь большое значение.

Хоминг-рецептор, по-видимому, является также лектином, который узнает углеводную часть гликосоединений на поверхности эндотелиальных клеток. В этом процессе участвует маннозо_6_фосфат.

Стволовые кроветворные клетки тоже способны к хомингу. Эти клетки, дифференцирующиеся в макрофаги и в клетки других типов, обладают сродством к клеткам стромы костного мозга и селезенки. Именно здесь происходит пролиферация и дифференцировка этих клеток. Хотя соответствующий рецептор и не был выделен, можно предположить, что он узнает галактозные и маннозные остатки гликопроизводных в тканях-мишенях. Поэтому взаимодействия белок / сахар важны для адгезии.

2.3 Молекулы, участвующие в клеточной адгезии

Для идентификации белков клеточной поверхности, участвующих во взаимодействиях между клетками, с успехом использовались моноклональные антитела. Соответствующие белки были названы молекулами клеточной адгезии, или САМ. Наиболее полно охарактеризовано семейство гликопротеинов, участвующих в адгезии нейронов. Сходные молекулы были обнаружены в мозгу мыши, цыпленка и человека. Во время развития отдельного организма N-CAM экспрессируются в нескольких формах в разное время в различных тканях. Не исключено, что сложная картина адгезии нейронов во время развития мозга обусловлена дифференциальной экспрессией и посттрансляционными модификациями небольшого числа молекул, а не участием большого количества высокоспецифичных белков адгезии. N-CAM являются гомофильными соединениями, т. е. молекула N-CAM одной клетки связывается со сходной молекулой другой клетки. Хотя эти белки адгезии гликозилированы, углеводы не являются необходимыми для взаимодействия, приводящего к связыванию. Однако гликозилирование может влиять на взаимодействие, так, при переходе от эмбрионального мозга к мозгу взрослого организма число остатков сиаловой кислоты в N-CAM уменьшается в три раза, что коррелирует с увеличением адгезивиости. Возможно, гликозирование играет регуляторную роль.

Другие посттрансляционные модификации N-CAM включают фосфорилирование сериновых и треониновых остатков в цитоплазматическом домене, ацилирование жирных кислот и сульфирование N_концевых олигосахаридов. Возможно, все эти модификации являются способами регуляции биологических функций N-CAM. Кроме того, из-за альтернативного сплайсинга мРНК N-CAM продуцируются в трех разных формах. Эти варианты N_САМ экспрессируются в разное время и в различных местах. Два из них предположительно содержат гидрофобную спираль, погруженную в мембрану, и протяженные С-концевые домены на цитоплазматической стороне мембраны. Эти две формы отличаются наличием в цитоплазматическом домене участка длиной 261 аминокислотный остаток. У третьей формы гидрофобный домен отсутствует, и, по-видимому, этот белок связывается с наружной поверхностью мембраны с помощью фосфоинозитольного мостика. Специфические биологические функции разновидностей N-CAM неизвестны.

Анализ аминокислотной последовательности N-CAM, проведенный с помощью кДНК, показал, что N-CAM относятся к иммуноглобулиновому суперсемейству. N-CAM содержат пять смежных доменов протяженностью - 100 аминокислотных остатков каждый, которые гомологичны ие только друг другу, но и иммуноглобулинам. Следовательно, N-CAM состоят из иммуноглобулиноподобных доменов и филогенетически родственны иммуноглобулинам. Это суперсемейство включает также другие белки клеточной поверхности, которые функционируют как рецепторы, в том числе Т-клеточный рецептор и главные комплексы гистосовместимости МНС. В него входит также миелинсвязанный гликопротеин, который, вероятно, участвует во взаимодействии между аксонами и миелинизированными клетками периферической нервной системы. По своей структуре он весьма сходен с N-CAM, что предполагает наличие общей структурной основы у представителей одного класса молекул клеточной адгезии.

Основную роль в функционировании N-CAM играют гомофильные белок-белковые взаимодействия между иммуноглобулиноподобными доменами. Однако N-CAM связывается также с гепарином с помощью домена, расположенного вблизи N_конца, и это взаимодействие может играть роль в межклеточных контактах. Таким образом, N-CAM полифункционален. На рис. 9.4 схематически представлена структура N-CAM, построенная по результатам исследований с использованием моноклональных антител.

Идентифицированы и другие виды САМ, отличные от N-CAM.

Один из них, нейроглиальный, или Ng-CAM, выделен из эмбриона цыпленка. N-CAM участвует в адгезии нервных клеток, a Ng-CAM - нервных клеток и клеток глин. Время появления и клеточная локализация Ng-CAM отличны от таковых у N-CAM. Возможно, запрограммированное появление Ng-CAM вместе с N-CAM помогает в регуляции образования нервной сети. Взаимодействия, в которых участвуют эти САМ, не зависят от ионов кальция.

Обнаружен отдельный класс белков САМ, которые опосредуют Са^{2 +}-зависимые межклеточные взаимодействия. Эти белки были названы кадхеринами и включают в себя эпителиальный кадхерии, плацентарный кадхерин н увоморулин мышей. Гомолог Е-кадхерина цыпленка называется L^CAM; оба этих гликопротеина опосредуют взаимодействия между эпителиальными клетками. Сходство аминокислотных последовательностей Са^{2 +}-зависимых белков САМ свидетельствует о том, что они образуют отдельное суперсемейство молекул адгезии. Например, результаты определения полной аминокислотной последовательности L-CAM по данным секвенирования кДНК показывают, что его мол. масса составляет 79,7 кДа, однако гомология с белком N-CAM отсутствует и L-CAM не принадлежит к суперсемейству иммуноглобулинов. Тем не менее, в молекуле САМ имеются три соседних гомологичных сегмента длиной по 113 аминокислотных остатков, а в молекуле N-CAM - пять таких сегментов, что указывает на сходство структурной организации упомянутых белков.

Дальнейшие исследования белков САМ прольют свет на механизмы межклеточного узнавания и адгезии во время эмбриогенеза и множества других клеточных процессов.

2.4 Рецепторы, участвующие в межклеточных взаимодействиях при иммунном ответе

При исследовании САМ выявился один неожиданный факт: в межклеточных взаимодействиях при эмбриогенезе участвует относительно небольшое число структурно различающихся САМ, а для взаимодействий между лимфоцитами, опосредующими иммунный ответ, наблюдается обратная картина. В индукции антител, направленных против специфического антигена, участвуют по крайней мере три разных типа клеток: 1) В-клетки, которые продуцируют антитела; 2) Т-клетки, которые секретируют факторы роста; 3) макрофаги, или дополнительные клетки. У каждой из этих клеток имеются поверхностные рецепторы, которые участвуют в специфических межклеточных взаимодействиях и в активации В-клеток с целью их дальнейшей пролиферации и секреции антител против специфического антигена. Известны два основных рецептора, участвующих в этом процессе: 1) Т-клеточный рецептор; 2) гликопротеины МНС класса II. Оба они входят в иммуноглобулиновое суперсемейство. Специфические межклеточные взаимодействия, участвующие в иммунном ответе, определяются в первую очередь белок-белковыми взаимодействиями между этими рецепторами клеточной поверхности. Приведем упрощенную последовательность событий.

Антиген захватывается А-клетками, подвергается процессингу и образует на клеточной поверхности комплекс с гликопротеинами МНС класса II.

Т-клетка взаимодействует с А-клеткой при участии Т-клеточного рецептора. Подразумевается, что Т-клеточный рецептор одновременно узнает глнкопротеины МНС класса II и антиген. При этом с А-клеткой будут взаимодействовать только Т-клетки с подходящими антигенспецифичными рецепторами. В популяции Т-клеток существует много разнообразных структур Т-клеточных рецепторов, однако каждая отдельная клетка продуцирует только один из них. Результатом такого взаимодействия между А- и Т-клетками является, в частности, образование факторов роста, которые стимулируют пролиферацию субпопуляции Т-клеток, а также других лимфоидных клеток.

В-клетки могут экспрессировать большое число разных мембраносвязанных иммуноглобулинов, но, как и в случае Т-клеток, индивидуальная В-клетка экспрессирует лишь один тип иммуноглобулина. В-клетки данной субпопуляции будут нести поверхностные иммуноглобулины, связывающиеся со специфическим антигеном, представленным системе. Активность и пролиферация В-клеток усиливаются при их взаимодействии с активированными Т-клетками и факторами, которые этими клетками высвобождаются. По-видимому, взаимодействие включает узнавание Т-клеткой антигена, который связывается с гликопротеинами МНС класса II на поверхности В-клетки. Это явление известно как МНС-ограниченная иммунная реакция. Пролиферация активированных В-клеток приводит к образованию популяции клеток, секретирующих антигенспецифичное антитело.

Глнкопротеины МНС класса II являются гетеродимерами, в которых каждая полипептидная цепь имеет единственный трансмембранный сегмент. Обе цепи гликозилированы. Методом рентгеноструктурного анализа была установлена структура главной части гликопротеинов МНС класса II и локализован участок связывания с пептидными антигенами. В работе приводится информация о взаимодействии пептидных антигенов с гликопротеинами МНС класса II. Данные по передаче энергии электронного возбуждения свидетельствуют о том, что очищенные гликопротеины МНС класса II, встроенные в плоскую мембрану, образуют тройной комплекс с Т-клеткой и антигеном, что напоминает антигенспецифичное взаимодействие между В- и Т-клетками. Новые данные о взаимодействии между компонентами, участвующими в адгезии клеточных мембран, вероятно, позволят получить опыты с использованием искусственных мембран.

Т-клеточный рецептор состоит из двух частей. Антигенспецифичная часть является а/З-гетеродимером, который имеет моноклональную специфичность и принадлежит к иммуноглобулиновому суперсемейству. Этот а/З-димер образует в мембране комплекс со структурно инвариантным компонентом. Данный комплекс охарактеризован для мышиных и человеческих Т-клеток; он состоит из четырех или пяти полипептидов. Вероятно, эта часть Т-клеточного рецептора участвует в передаче сигнала, приводящей к активации Т-клетки.

Гликопротеины МНС класса II, присутствующие на антиген-представляющих клетках, могут взаимодействовать и с другим гликопротеиновым рецептором, находящимся на поверхности Т-клеток. Это рецептор CD4; его взаимодействие с гликопротеинами МНС класса II, возможно, облегчает межклеточное взаимодействие.

Существует и вторая пара рецепторов, участвующих в адгезии между антигенпредставляющей клеткой и Т-хелпером. Т-лимфоциты содержат мембранный гликопротеин CD2, который специфически взаимодействует с другим белком адгезии, обозначаемым LFA_3, который присутствует в мембранах множества типов клеток. Интересно, что как CD2, так и LFA_3 являются членами иммуноглобулинового суперсемейства и структурно родственны N-CAM. Как и N-CAM, рецептор LFA_3 существует в разных формах и может фиксироваться на мембране с помощью трансмембранной спирали или фосфатидилинозитольного якоря. Взаимодействие между рецепторами LFA_3 и CD2, по-видимому, существенно для активации Т-хелперов.

После активации Т-клеток происходит экспрессия рецептора для фактора роста Т-клеток - интерлейкина_2. Клонирован и секвенирован ген, кодирующий одну субъединицу этого рецептора; по-видимому, рецептор имеет единственный трансмембранный сегмент и лишь очень небольшой С-концевой цитоплазматический домен. Это весьма необычно для митогенных рецепторов, которые, как правило, имеют протяженный цитоплазматический домен, обладающий тирозинспецифичной протеинкиназной активностью.

2.5 Интегрины - семейство рецепторов, которые связываются с компонентами внеклеточного матрикса и белками адгезии

Помимо суперсемейства иммуноглобулиновых рецепторов клеточной поверхности идентифицировано и другое многочисленное семейство рецепторов клеточной адгезии, называемых интегринами. Интегрины участвуют в связывании с белками внеклеточного матрикса и другими белками адгезии. Во многих случаях интегрины узнают трипептид Arg-Gly-Asp и связываются с белками, содержащими его. Интегрины являются гетеродимерами, в которых каждая субъединнца предположительно содержит один трансмембранный сегмент вблизи С-конца. В каждой субъединице имеются короткий цитоплазматический домен и большой внеклеточный домен. Более крупная а-субъединица во многих случаях подвергается протеолитическому расщеплению с образованием двух полипептидных цепей, соединенных дисульфидной связью. в-субъединица содержит четыре повтора длиной 40 аминокислотных остатков каждый, богатых цистеином, которые содержат многочисленные внутрицепочечные дисульфидные связи. Обе субъединицы гликозилированы. Идентифицировано примерно 20 разных членов этого семейства рецепторов в разных типах клеток. О сходстве членов этого семейства свидетельствуют результаты перекрестного иммунохимического анализа и/или данные о гомологии аминокислотной последовательности. Примеры интегринов приведены в табл. 9.1. Показано, что эти белки связываются с множеством матриксных белков или белков адгезии, однако индивидуальные интегрины строго специфичны. Решающее значение для взаимодействия имеют трипептиды RGD, но для полного объяснения специфичности нужно привлекать и другие детерминанты.

Одна из важных функций интегринов состоит в передаче информации в клетку, поскольку связывание с белками внеклеточного матрикса часто играет большую роль в определении формы клетки и ее миграции и оказывается решающим для морфогенеза и дифференцировки. Показано, что интегрин из фибробластов цыпленка связывается с компонентом цитоскелета талином. Это связывание конкурентно ингибируется пептидом, который соответствует сайту фосфорилирования тирозинкииазы, находящемуся в цитоплазматическом домене в_субъединнцы интегрина. Этот пептид, однако, не влияет на связывание белков внеклеточного матрикса через сайт RGD, что свидетельствует о кв аз независимости внутриклеточного и внеклеточного доменов. Интегрин - это наиболее полно охарактеризованный трансмембранный белок, который одновременно взаимодействует с внеклеточными компонентами и цитоскелетом.

Одной интересной особенностью интегринов является наличие их разновидностей, содержащих одинаковые в_субъединицы, которые представлены по меньшей мере тремя типами. Однако четко разграничить функции а- и б-субъединиц, считая, что одни из них ответственны за связывание с внеклеточными элементами, а другие - с внутриклеточными, не удается. Так, было показано, что способность интегрина цыпленка к связыванию полностью утрачивается при диссоциации субъединиц и восстанавливается при реконструкции гетеродимера.

Примеры некоторых интегринов

1. Рецепторы для белков внеклеточного матрикса птиц и млекопитающих. Они связываются с гликопротеиновыми компонентами внеклеточного матрикса, в частности с фибронектином, ламинином и витронектином. Связывание с рецепторами в большинстве случаев конкуретно блокируется пептидами, содержащими трипептид RGD. Было показано, что фибронектин опосредует клеточное движение, и ясно, что рецептор фибронектина и его внутриклеточные контакты имеют решающее значение для клеточного морфогенеза.

Гликопротеины тромбоцитов. По и Ша являются гликопротеинами мембран тромбоцитов, гомологичными а- и /3_субъединицам других интегринов. Этот поверхностный рецептор участвует в агрегации тромбоцитов, происходящей при свертывании крови. Тромбоциты не агрегируют до тех пор, пока не произойдет «активация» одним из агонистов - тромбином, коллагеном или адреналином. Процесс активации детально не изучен, но одним из ее результатов является увеличение доступности комплекса на поверхности тромбоцитов, в результате чего он может взаимодействовать с циркулирующими макромолекулярными «адгезивными» белками, в том числе с фибриногеном, фибронектином и фактором фон Виллебранда. Это связывание зависит от кальция. Фибриноген двухвалентен и, вероятно, более важен для связывания тромбоцитов в каскаде агрегации. Плазматический фактор фон Виллебранда является многофункциональным гликопротеином, который обладает сродством не только к активированному интегрину, но и к коллагену. Следовательно, этот белок адгезии способствует прилипанию активированных тромбоцитов к сосудистому субэндотелию, который становится доступным для них при нарушении целостности эндотелиальных клеток после ранения. Фактор фон Виллебранда связывается также с другим рецепторным белком тромбоцитов, глнкопротеином lb.

Лейкоцитарные белки адгезии. Для того чтобы мигрировать к месту инфекции и воспаления, лейкоциты должны вступить во взаимодействие с эндотелиальными клетками сосудов. Идентифицированы три гетеродимерных рецептора, участвующие в адгезии лейкоцитов; все они относятся к семейству интегринов. По-видимому, все три белка имеют одинаковые /3_субъедини-цы. Один из них, LFA_1, связывается со специфическим глнкопротеином клеточной поверхности ICAM4, присутствующим на фибробластах. Это взаимодействие может опосредовать связывание Т-лимфоцитов с фибробластами при воспалении.

Позиционно специфические антигены дрозофилы. По-видимому, семейство рецепторов, необходимых для нормального эмбрионального морфогенеза дрозофилы, также принадлежит к семейству интегринов. В присутствии пептидов, содержащих последовательность RGD, происходит нарушение эмбриогенеза и блокируется гаструляция у Drosophila.

2.6 Другие способы связывания с матриксом и белками адгезии

Интегрины не уникальны в своих свойствах, касающихся связывания с внеклеточным матриксом и белками адгезии. Показано, что ламинин, тромбоспондин и фактор фон Виллебранда специфически связываются с гликолнпидами, содержащими сульфогруппы. Физиологическое значение этого взаимодействия неясно. Фермент 5' - нуклеотидаза также участвует во взаимодействии как с внеклеточными, так и с внутриклеточными компонентами, хотя роль этого взаимодействия in vivo не доказана. Существуют также рецепторы ламинина, которые не относятся к семейству интегринов.

Всесторонне изучена агрегация диссоциированных клеток губки. Для инициации этого процесса должно произойти связывание некоего высокомолекулярного фактора с внеклеточным доменом рецептора агрегации, находящимся в плазматической мембране. Это, по-видимому, служит сигналом к запуску быстрого распада фосфатидилинозитола и образованию внутриклеточных вторых посредников, которые инициируют агрегацию, опосредованную фактором сборки коллагена. Коллагеновые тяжи служат матриксом, на котором сорбируются клетки губки.

3. Повторное использование мембран и эндоцитоз с участием рецепторов

До сих пор мы считали мембрану животной клетки статичной структурой, состав которой изменяется только во время роста клетки или при дифференцировке. На самом деле клеточная поверхность чрезвычайно динамична и составляет вместе с клеточными мембранными органеллами часть сложной сети мембранного транспорта. Мембранный транспорт можно разделить на две составляющие: эндоцитоз и экзоцитоз. Эндоцитоз - это поглощение внеклеточной жидкости и частиц в составе мембранных пузырьков, а экзоцитоз включает процессинг новосинтезированных белков и липидов и их доставку к месту секреции или включения в плазматическую мембрану, лизосомы или вакуоли. В обеих системах происходит селективный перенос специфических мембранных компонентов между мембранами внутри клетки с помощью везикул, которые отшнуровываются от одной мембраны и сливаются с другой. Важнейшей особенностью регуляции этих процессов является закисление везикул и вакуолей с помощью Н ⁺ - АТРаз.

3.1 Общие свойства эндоцитозного пути

Разграничим процессы поглощения клеткой крупных частиц, растворенных веществ и жидкости. Поглощение крупных частиц называется фагоцитозом и характерно только для клеток некоторых типов. Процесс активируется частицами и чувствителен к цитохалазину. После образования промежуточной фагосомы везикула закисляется и затем сливается с лизосомой, содержащей ферменты деградации.

В основе поглощения жидкости и опосредованного рецепторами поглощения растворенных веществ лежит образование окаймленных ямок и окаймленных везикул. Термин «окаймленные» относится к морфологии этих структур, выявляемой с помощью электронной микроскопии. Отличительной их особенностью является наличие решетчатой структуры из молекул белка клатрина, который связывается с углублениями на поверхности плазматической мембраны и везикулами, образующимися из таких ямок. Возможно, существуют и другие эндоцитозные пути без участия окаймленных везикул, однако о них известно немного. Окаймленные везикулы участвуют и в экзоцитозе.

На долю окаймленных ямок обычно приходится всего 1 - 2% общей площади поверхности плазматической мембраны, и большинство белков плазматической мембраны не обнаруживаются на этих участках. Однако концентрация некоторых белков в этих ямках очень высока. Например, в них сосредоточено около 70% белка - рецептора липопротеина низкой плотности. В некоторых случаях сродство рецептора к окаймленным ямкам постоянно, в других рецептор концентрируется в них только при связывании лиганда. В табл. 9.2 перечислены некоторые рецепторы плазматической мембраны, участвующие в поглощении специфических лигандов с помощью окаймленных ямок и везикул.

Таблица 9.2

Некоторые рецепторы, интернализуемые при эндоцитозе

По-видимому, после образования эндоцитозных везикул оболочка из клатрина удаляется специфическим белком в ходе АТР-зависимой реакции. Эти данные получены в экспериментах in vitro; роль указанного белка in vivo пока не выявлена. Везикулы без клатрина становятся частью сложной системы трубочек и везикул, называемых периферическими эндосомами; они локализованы вблизи плазматической мембраны. На основе функциональных и морфологических различий субпопуляциям эндосом были присвоены различные названия. Мы будем называть их просто эндосомами. Существует также система эндосом, локализованных вблизи центриолей и комплекса Гольджи; они называются перинуклеарными эндосомами. Эти структуры почти наверняка также участвуют в эндоцнтозном мембранном транспорте. Конечный пункт эндоцитозного пути находится во вторичных лизосомах, где происходит деградация отдельных растворенных веществ.

Скорость, с которой происходит рециклирование мембран, поистине удивительна. Ее можно определить с помощью водорастворимых, не проникающих в мембрану меток, оценивая скорость поглощения клеткой внеклеточной жидкости. К таким меткам относятся, например, радиоактивный инулин, декстран, краситель люцифер желтый. Измерения, проведенные на гепатоцитах с использованием инулина, показали, что эти клетки поглощают путем эндоцитоза за 1 ч количество жидкости, составляющее не менее 20% их объема, и количество мембранного материала, по площади превышающее в пять раз площадь их базолатериальной плазматической мембраны! Скорость эндоцитоза у других типов клеток не столь велика, но также впечатляет; например, макрофаги поглощают за 1 ч мембранный материал, площадь которого вдвое превышает площадь их поверхности, а адипоциты - материал, по площади составляющий 0,2 площади их поверхности. Большая часть жидкости, поглощаемой клетками, быстро выводится из них зa характерное время от 1 мин до 20 мин. Возможно, между плазматической мембраной и периферическими эндосомами устанавливается динамическое равновесие, причем на долю эндосом приходится лишь около 3% общего объема клетки. Кроме того, некоторая часть инулина, поглощаемого i епатоцитами, поступает в гораздо медленнее обменивающийся внутренний пул, что, возможно, отражает попадание его в другие внутренние вакуоли, например в лизосомы.

Эти данные свидетельствуют об исключительной динамичности поверхности мембран. Бретчер обратил внимание на то, что если бы какой-то участок плазматической мембраны включался в одном месте клеточной поверхности и появлялся в другом, то это означало бы, что существует однонаправленный мембранный по-

ток. Это представление было положено в основу модели, объясняющей механизм амебоидного движения клетки таким же образом, как и «кэпииг» поверхностного антигена. Кэпинг наблюдается как у лимфоцитов, так и у других типов клеток; он инициируется агрегацией белков плазматической мембраны, обычно путем связывания мультивалентного лнганда с каким-то компонентом клеточной поверхности. Связанный компонент агрегирует с образованием «очажков», которые затем объединяются в один крупный агрегат - кэп. Далее происходит поглощение белковых агрегатов. Было высказано предположение, что первые белковые агрегаты пассивно увлекаются предполагаемым массовым мембранным потоком, при этом они концентрируются около места интернализацин. Альтернативная точка зрения, гораздо более распространенная, заключается в том, что кэпинг - это активный процесс, протекающий при прямом участии элементов цитоскелета. Интересно отметить, что ганглиозиды также можно индуцировать для образования кэпа на лимфоцитах.

3.2 Сортировка компонентов комплекса рецептор-лиганд

В результате эндоцитоза и быстрого рециклирования плазматической мембраны происходит поглощение не только жидкостей. Одна из основных функций этого процесса состоит в облегчении поглощения внеклеточных белков. Большинство рецепторов, перечисленных в табл. 9.2, которые концентрируются в окаймленных ямках, связываются с такими макромолекулярными лигандами, как гликопротеины, липопротеины низкой плотности или иммуноглобулины. Кроме того, имеются рецепторы для факторов роста и таких гормонов, как ФРЭ или инсулин, когда в результате рециклирования плазматическая мембрана быстро освобождается от комплексов гормон-рецептор, заменяемых ново синтезированными рецепторами. Структурные детерминанты, которые опосредуют связывание этих рецепторов с окаймленными ямками, неизвестны. Установлена первичная структура нескольких таких рецепторов, при этом никакого сходства между ними не выявлено. Все они имеют единственный трансмембранный сегмент, но у одних N_конец обращен в цитоплазму, а у других ориентирован в противоположном направлении. В нескольких случаях было показано, что цитоплазматический домен рецептора необходим для того, чтобы рецептор оставался в незамкнутых ямках, но об этом известно очень мало.

Судьбы рецептора и лнганда после их поглощения клеткой различаются. Исходя из этого можно выделить четыре основные группы систем лиганд-рецептор.

Группа I. Рецептор возвращается к поверхности клетки, лиганд направляется в лизосомы. Примерами служат ЛНП- и асиалоглико-протеиновый рецепторы.

Группа II. Как рецептор, так и лиганд направляются в лизосомы. Примерами являются ФРЭ- и инсулиновый рецепторы.

Группа III. Рецептор остается связанным с лигандом, а лиганд направляется в другой домен плазматической мембраны. Это явление называется трансцитозом и характерно для рецепторов иммуноглобулинов в поляризованных эпителиальных клетках. После такого клеточного «транзита» рецепторы для IgA и IgM подвергаются протеолитическому расщеплению, тогда как рецептор для IgG при некоторых условиях может использоваться вновь.

Группа IV. И рецептор, и лиганд возвращаются к одному и тому же домену плазматической мембраны. Наиболее полно охарактеризованным примером такого рода служит трансферриновая система, в которой после поглощения комплекса трансферрин-железо и удаления железа комплекс апотрансферрин-рецептор возвращается к клеточной поверхности.

Скорости всех этих процессов достаточно велики. Обычно время жизни рецепторов, возвращающихся к клеточной поверхности, составляет всего 3 - 6 мнн, а время полного оборота рецептора - около 15 - 25 мин. В равновесном состоянии на клеточной поверхности обнаруживается около 65 - 75% рецепторов, а остальная их часть находится на разных внутриклеточных мембранах. Полный анализ равновесной кинетики поглощения и процессинга может быть проделан с привлечением констант скоростей для каждого элементарного шага,

Одной из характерных особенностей механизма сортировки является его удивительная точность. Например, трансферриновый рецептор почти всегда находится в базолатеральной, но не в апикальной мембране поляризованных эпителиальных клеток. Вероятность его ошибочного включения в апикальную мембрану составляет лишь -0,1%, т. е. достаточно мала для сохранения полярности мембран этих клеток. В других системах, где по экспериментальным данным вероятность ошибки достигала 4%, для корректировки локализации рецепторов был необходим дополнительный этап сортировки.

Механизм сортировки должен быть весьма изощренным. По-видимому, различные комплексы рецептор-лиганд поглощаются вместе в одних и тех же частях окаймленных везикул, а сортировка внутри везикул происходит за несколько минут. Например, рецептор для асналогликопротеинов перемещается в латеральном направлении внутри эндосомной системы и концентрируется в трубочках и маленьких везикулярных компонентах, но не в крупных везикулах. Возможно, крупные эндосомные везикулы, практически лишенные этого рецептора, но содержащие гликопротеино-вый лиганд, сливаются затем с лизосомами. Однако трубочки, содержащие рецептор, возвращают его к клеточной поверхности. В этом случае сортировка несомненно происходит внутри эндосомного комплекса органелл.

Какой механизм лежит в основе быстрой сортировки макромолекул? Конечно, должны существовать особые структурные «сигналы», приводящие к компартмеитализации специфических рецепторов и лигандов. Единственным известным сигналом является ман-нозо_6_фосфат, который присутствует на ферментах, направляющихся в лизосомы. Маннозо_6_фосфатспецифичные рецепторы находятся в комплексе Гольджи, где они направляют новосинтезированные белки в лизосому, а также на плазматической мембране, где они вызывают секрецию таких ферментов во внешнюю среду.

Помимо специфических структурных сигналов сортировки большую роль играет закисление внутриклеточных везикулярных компартментов. Значение рН в эндоцитозных пузырьках составляет 5,0 - 6.2. При столь низких рН происходит диссоциация комплексов рецептор-лиганд, включающих липопротеины низкой плотности, лизосомные ферменты, асиалогликопротеины, фактор роста эпидермиса и инсулин. В таких условиях от комплекса трансферрин-рецептор отсоединяются и два атома железа, хотя в этом случае апотрансферрин остается связанным со своим рецептором.

У некоторых оппортунистических вирусов и токсинов выработались механизмы проникновения в клетку, основанные на закислении везикул. Например, дифтерийный токсин связывается с каким-то неидентифицированным рецептором на клеточной поверхности и затем поглощается эндоцитозным путем. Понижение рН эндоцитозных везикул индуцирует в молекулах токсина конформационное изменение, что приводит к его проникновению через везикулярную мембрану и позволяет ферментативно активной части токсина достичь цитоплазмы. рН-индуцируемое конформационное изменение может вызвать образование трансмембранной поры. Многие вирусы животных, имеющие оболочку, тоже попадают в цитоплазму путем эндоцитоза. Низкое значение рН, отмечаемое в эндоцитозных везикулах, индуцирует конформационное изменение в гликопротеинах, входящих в состав шиловидных структур вирусных мембран, что облегчает как слияние мембраны вируса с мембраной эндоцитозной везикулы, так и доставку вирусного генома в цитоплазму. Примерами могут служить вирус леса Семлики и вирус гриппа.

рН во внутриклеточных компартментах может повышаться при добавлении слабых оснований или ионофоров. Слабые основания могут проходить через липидный бислой в незаряженной форме и протонироваться в кислом содержимом компартмента. В результате рН в компартменте может повышаться на 1-2 единицы и блокировать многие рН-зависимые процессы. Такие слабые основания часто называют «лизосомотропны-ми» или «ацидотропными» агентами. Моненсин уравновешивает протонный и К⁺-градиенты, что также увеличивает рН в вакуолях.

Добавление этих агентов часто предотвращает рециклирование рецепторов клеточной поверхности. Комплексы рецептор-лиганд при этом не диссоциируют, и рецепторы накапливаются во внутренних мембранных везикулах, не достигая клеточной поверхности. Такая картина наблюдается, например, для ЛНП- и асиалоглико-протеинового рецепторов. По-видимому, обмен между периферическими эндосомами и плазматической мембраной при этом не ослабевает, однако миграция к лизосомам может блокироваться.

Большие успехи в изучении этой сложной системы сортировки были достигнуты благодаря применению электронной микроскопии при искусном использовании таких клеток, как пероксидаза хрена, а также рН-контролирующих меток. Весьма полезными оказались и генетические подходы, основанные на резистентности к определенным токсинам и вирусам при неполном закислении эндоцитозных везикул. Источником соответствующих мутантов могут быть дрожжи. Биохимические исследования основываются на выделении и характеристике хорошо известных субпопуляций эндоцитозных везикул. Для разделения эндоцитозных и экзоцитозных везикул используются специально разработанные электрофоретические методы, подходы, основанные на иммунологическом сродстве, а также процедуры со смещением плотности при использовании холинэстеразы. В некоторых лабораториях удалось провести слияние изолированных эндоцитозных пузырьков in vitro и показать, что для этого необходим АТР; слияние происходило только в случае эндоцитозных пузырьков, полученных в течение 5 - 15 мин после интерналнзации.

3.3 Клатрин

При эндоцитозе наблюдаются в первую очередь такие структуры, как окаймленные ямки и окаймленные везикулы. Их характерной особенностью является наличие на цитоплазматической поверхности полигональной решетки, образуемой клатрином. Свойства клатрина и ассоциированных с ним белков определяют, какие именно рецепторы скапливаются в окаймленных ямках; эти свойства каким-то образом опосредуют и изменение мембраны, приводящее к отшнуровыванию окаймленных везикул. Молекула клатрина содержит три тяжелые цепи и три легкие и имеет сложную структуру с тремя ветвями; каждая из ветвей образована одной тяжелой цепью и одной легкой. Выделенный клатрин спонтанно ассоциирует с образованием полигональной решетки как в присутствии, так и в отсутствие мембран. Работы по реконструкции с очищенными плазматическими мембранами показали, что в местах образования окаймленных ямок имеется ограниченное число участков связывания с высоким сродством к клатрину. С клатриновой решеткой связаны и вспомогательные белки с мол. массами 100 и 50 кДа.

Каждая клетка продуцирует два основных класса легких цепей клатрина. Они кодируются двумя разными генами, мРНК которых подвергается дифференциальному сплайсингу, что приводит к появлению по меньшей мере четырех разновидностей белков. Тяжелые цепи играют структурную роль, а легкие, вероятно, выполняют регуляторную функцию и содержат места связывания кальмодулина, а также АТР-зависимого раздевающего белка. В клетке половина клатрина находится в растворе, и между этой формой и мембранными структурами поддерживается динамическое равновесие. До слияния окаймленных везикул с эндоцитозной системой из них должен высвободиться клатрин; эта реакция катализируется раздевающим белком, который выполняет чисто каталитическую функцию, однако остается прочно связанным с молекулами клатрина даже в отсутствие клатриновой решетки. В клетке этот белок находится в избытке по отношению к клатрину.

Чтобы понять природу рецепторзависимого эндоцитоза и его регуляции, необходимо выяснить механизм перехода клатрина из мономерной формы в мембраносвязанную структуру и обратно, а также механизм образования таких структур на мембране.

3.4 Некоторые примеры интернализуемых рецепторов

Рассмотрим вкратце свойства некоторых рецепторов. Все они имеют единственный трансмембранный домен, но этим сходство и ограничивается. Мы остановимся на рецепторах групп I, III и IV.

ЛНП-рецептор человека

Это типичный рецептор группы I, который возвращается к плазматической мембране, в то время как его лиганд, сывороточный липопротеин низкой плотности, попадает в лизосому. Особенно богаты этим рецептором клетки печени и надпочечников, куда ЛНП поставляют холестерол для синтеза желчных кислот и стероидных гормонов соответственно. По данным об аминокислотной последовательности рецептора, определенной с помощью кДНК, он состоит из пяти доменов. Выраженная гомология с другими мембранными рецепторами отсутствует, хотя два самых крупных наружных домена содержат повторы, богатые цистеином и гомологичные соответственно фактору С9 комплемента и предшественнику ФРЭ. Рецептор имеет единственный трансмембранный домен и непротяженный цитоплазматический С-концевой домен. Показано, что у лиц с таким генетическим заболеванием, как семейная гиперхолестеролемия, ЛНП-рецепторы не функционируют. Установить функции структурных доменов рецепторов помог мутационный анализ. Так, было показано, что модификации в цитоплазматическом домене ЛНП-рецептора препятствуют связыванию рецептора с окаймленными ямками, даже если связывание ЛНП с рецептором не изменяется. Помимо выявления мутаций, происходящих in vivo, проводились опыты in vitro для получения необходимых мутаций и определения свойств экспрессированного продукта гена. Для этого применялась рекомбинантная ДНК, в которой отсутствовал ген, который кодирует домен, гомологичный предшественнику ФРЭ. Такой рецептор связывает ЛНП, но не высвобождает его при закислении. Это блокирует рециклирование рецептора и ведет к его деградации после связывания лиганда.

Асиалогликопротеиновый рецептор

Этот рецептор группы I, называемый также печеночным лектином, связывается с десиалированными гликопротеинами сыворотки и узнает гликопротеины с галактозой или N_ацетилгалактозой на конце. Следует отметить две интересные особенности: 1) рецептор имеет единственный трансмембранный сегмент и является одним из нескольких рецепторов, у которых N_конец обращен в цитоплазму; 2) в растворе детергента этот рецептор находится в виде гексамера, причем множество таких гексамеров встречается и в мембране. Асиалогликопротеиновый рецептор гомологичен рецептору с низким сродством к IgE, который находится на лимфоцитах человека и функция которого неизвестна.

Рецептор для полимерного иммуноглобулина

Этот рецептор связывает иммуноглобулины IgA или IgM из сыворотки и транспортирует их от базолатеральной мембраны к апикальной поверхности гепатоцитов. Во время этого процесса рецептор расщепляется и часть его, связанная с молекулой Ig, высвобождается в желчь гепатоцитов. Таким образом, рецептор используется только один раз и не восстанавливается. Как видно из рис. 9.3, данный рецептор относится к суперсемейству иммуноглобулинов и имеет пять внеклеточных иммуноглобулиноподобных доменов. Показано, что его цитоплазматический домен существен для эндоцитоза.

Трансферриновый рецептор

Этот рецептор участвует в поглощении железа из сыворотки. Рецептор связывается с трансферрином, содержащим два атома железа, интернализуется и остается связанным с апотрансферрином после отсоединения атомов железа в кислых эндоцитозных везикулах. Как и в случае ЛНП-рецептора, концентрирование этого рецептора в окаймленных ямках и его интернализация продолжаются и в отсутствие лиганда. Рецептор представляет собой димер с дисульфидными связями, гликозилированный и ацилированный по меньшей мере по одному остатку цистеина, который был идентифицирован с помощью сайт-специфического мутагенеза. Одна субъединица состоит из 760 остатков, и ее N_конец обращен в цитоплазму. Для интернализации трансферринового рецептора, как и рецепторов ЛНП, IgA и ФРЭ, необходимо наличие цитоплазматического домена. Этот домен содержит несколько сериновых остатков, которые могут быть фосфорилирова-ны» но, как было показано, эти остатки несущественны для интернализации. Тем не менее было установлено, что форболовые эфиры, активирующие протеинкиназу С, уменьшают число трансферриновых рецепторов на поверхности клетки и попутно вызывают их фосфорилирование. Напротив, инсулин и другие митогены способствуют концентрированию рецептора на клеточной поверхности, по-видимому, путем увеличения скорости его экстернализации. Механизм этого явления неизвестен, но полагают, что распределение этого и других рецепторов между плазматической мембраной и внутренними везикулами является важным регуляторным фактором.