Εξωκυττάρωση

Εξωκυττάρωση ή εξωκύτωση (Exocytosis) είναι μια μορφή ενεργητικής και μαζικής μεταφοράς κατά την οποία ένα κύτταρο μεταφέρει μόρια (π.χ., νευροδιαβιβαστές και πρωτεΐνες) εκτός του κυττάρου. Ως μηχανισμός ενεργητικής μεταφοράς, η εξωκυττάρωση απαιτεί τη χρήση ενέργειας για τη μεταφορά υλικού. Η εξωκυττάρωση και η αντίστοιχη ενδοκυττάρωση χρησιμοποιούνται από όλα τα κύτταρα επειδή οι περισσότερες σημαντικές χημικές ουσίες για αυτά είναι μεγάλα πολικά μόρια που δεν μπορούν να περάσουν από το υδρόφοβο τμήμα της κυτταρικής μεμβράνης με παθητική μεταφορά. Η εξωκυττάρωση είναι η διαδικασία κατά την οποία απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα μορίων. Επομένως, αποτελεί μια μορφή μαζικής μεταφοράς. Η εξωκυττάρωση λαμβάνει χώρα μέσω εκκριτικών πυλών στην κυτταρική πλασματική μεμβράνη που ονομάζονται ποροσώματα. Τα ποροσώματα είναι μόνιμες δομές λιποπρωτεϊνών σε σχήμα κυπέλλου στην κυτταρική πλασματική μεμβράνη, όπου τα εκκριτικά κυστίδια προσκολλώνται και συντήκονται παροδικά για να απελευθερώσουν ενδοκυστιδιακό περιεχόμενο από το κύτταρο.

Στην εξωκυττάρωση, τα εκκριτικά κυστίδια που συνδέονται με τη μεμβράνη μεταφέρονται στην κυτταρική μεμβράνη, όπου προσδένονται και συντήκονται στα ποροσώματα και το περιεχόμενό τους (δηλαδή, υδατοδιαλυτά μόρια) εκκρίνεται στο εξωκυτταρικό περιβάλλον. Αυτή η έκκριση είναι δυνατή επειδή το κυστίδιο συντήκεται παροδικά με την πλασματική μεμβράνη. Στο πλαίσιο της νευροδιαβίβασης, οι νευροδιαβιβαστές απελευθερώνονται συνήθως από τα συναπτικά κυστίδια στη συναπτική σχισμή μέσω εξωκυττάρωσης. Ωστόσο, οι νευροδιαβιβαστές μπορούν επίσης να απελευθερωθούν μέσω αντίστροφης μεταφοράς μέ πρωτεΐνες μεταφοράς μεμβράνης.

Η εξωκυττάρωση είναι επίσης ένας μηχανισμός μέσω του οποίου τα κύτταρα είναι σε θέση να εισάγουν πρωτεϊνικές μεμβράνες (όπως κανάλια ιόντων και υποδοχείς κυτταρικής επιφάνειας), λιπίδια και άλλα συστατικά στην κυτταρική μεμβράνη. Τα κυστίδια που περιέχουν αυτά τα συστατικά της μεμβράνης συντήκονται πλήρως με την εξωτερική κυτταρική μεμβράνη και γίνονται μέρος της.

Ιστορικό

Ο όρος προτάθηκε από τον Κριστιάν ντε Ντιβ το 1963.^[1]

Τύποι

Στους ευκαρυώτες, υπάρχουν δύο τύποι εξωκυττάρωσης: 1) Η ενεργοποιημένη από Ca²⁺ μη ιδιοσυστατική (non-constitutive) (δηλαδή, ρυθμιζόμενη εξωκυττάρωση) και 2) Η μη ενεργοποιημένη από Ca²⁺ που προκαλεί ιδιοσυστατική (δηλαδή, μη ρυθμιζόμενη).

Η ενεργοποιημένη από Ca²⁺ μη ιδιοσυστατική εξωκυττάρωση απαιτεί ένα εξωτερικό σήμα, ένα συγκεκριμένο σήμα ταξινόμησης στα κυστίδια, ένα περίβλημα κλαθρίνης, καθώς και αύξηση του ενδοκυτταρικού ασβεστίου. Σε πολυκύτταρους οργανισμούς, αυτός ο μηχανισμός ξεκινά πολλές μορφές διακυτταρικής επικοινωνίας, όπως η συναπτική μετάδοση, η έκκριση ορμονών από νευροενδοκρινικά κύτταρα και η έκκριση από τα ανοσοκύτταρα. Στους νευρώνες και τα ενδοκρινικά κύτταρα, οι πρωτεΐνες SNARE και οι πρωτεΐνες SM καταλύουν τη σύντηξη σχηματίζοντας ένα σύμπλοκο που φέρνει κοντά τις δύο μεμβράνες σύντηξης. Για παράδειγμα, στις συνάψεις, το σύμπλοκο SNARE σχηματίζεται από την συνταξίνη-1 και την SNAP25 στην πλασματική μεμβράνη και την VAMP2 στην μεμβράνη των κυστιδίων.^[2] Η εξωκυττάρωση στις νευρωνικές χημικές συνάψεις προκαλείται από Ca²⁺ και εξυπηρετεί τη διανευρωνική σηματοδότηση. Οι αισθητήρες ασβεστίου που ενεργοποιούν την εξωκυττάρωση μπορεί να αλληλεπιδρούν είτε με το σύμπλoko SNARE, είτε με τα φωσφολιπίδια των μεμβρανών σύντηξης. Η συναπτοταγμίνη έχει αναγνωριστεί ως ο κύριος αισθητήρας για την εξωκυττάρωση που προκαλείται από Ca²⁺ σε ζώα.^[3] Ωστόσο, οι πρωτεΐνες συναπτοταγμίνης απουσιάζουν στα φυτά και στους μονοκύτταρους ευκαρυώτες. Άλλοι πιθανοί αισθητήρες ασβεστίου για εξωκυττάρωση είναι οι πρωτεΐνες EF-hand (π.χ.: καλμοδουλίνη (Calmodulin)) και οι πρωτεΐνες που περιέχουν τομέα C2 (π.χ.: Ferlins, E-συναπτοταγμίνη, Doc2b). Δεν είναι σαφές πώς οι διαφορετικοί αισθητήρες ασβεστίου μπορούν να συνεργαστούν και να μεσολαβήσουν στην κινητική της εξωκυττάρωσης που προκαλείται από το ασβέστιο με έναν συγκεκριμένο τρόπο.^[4]

Η ιδιοσυστατική εξωκυττάρωση πραγματοποιείται από όλα τα κύτταρα και εξυπηρετεί την απελευθέρωση συστατικών της εξωκυτταρικής ουσίας ή την παροχή νεοσυντιθέμενων μεμβρανικών πρωτεϊνών που ενσωματώνονται στην πλασματική μεμβράνη μετά τη σύντηξη του μεταφορικού κυστιδίου. Δεν υπάρχει σαφής συναίνεση σχετικά με τον μηχανισμό και τις μοριακές διεργασίες που οδηγούν στον σχηματισμό, την εκβλάστηση, τη μετατόπιση και τη σύντηξη των κυστιδίων μετά το σύμπλεγμα Golgi στην πλασματική μεμβράνη. Η σύντηξη περιλαμβάνει πρόσδεση μεμβράνης (αναγνώριση) και σύντηξη μεμβράνης. Δεν είναι ακόμη σαφές εάν ο μηχανισμός μεταξύ της ιδιοσυστατικής και της ρυθμιζόμενης έκκρισης είναι διαφορετικός. Ο μηχανισμός που απαιτείται για την ιδιοσυστατική εξωκυττάρωση δεν έχει μελετηθεί τόσο πολύ όσο ο μηχανισμός της ρυθμιζόμενης εξωκυττάρωσης. Δύο σύμπλοκα πρόσδεσης σχετίζονται με τη ιδιοσυστατική εξωκυττάρωση στα θηλαστικά, η ELKS και η Exocyst. Η ELKS είναι μια μεγάλη πρωτεΐνη με σπειροειδή σπείρα, που εμπλέκεται επίσης στη συναπτική εξωκυττάρωση, σηματοδοτώντας τα σημεία σύντηξης των θερμών σημείων της σύντηξης των εκκριτικών φορέων. Η Exocyst (εξωκύστη) είναι ένα οκταμερές πρωτεϊνικό σύμπλοκο. Στα θηλαστικά, τα συστατικά της εξωκύστης εντοπίζονται τόσο στην πλασματική μεμβράνη, όσο και στη συσκευή Golgi και οι πρωτεΐνες της εξωκύστης συσσωματώνονται στο σημείο σύντηξης των κυστιδίων μετά το σύμπλεγμα Golgi. Η σύντηξη μεμβράνης της ιδιοσυστατικής εξωκυττάρωσης, πιθανώς, προκαλείται από την SNAP29 και τη συνταξίνη19 στην πλασματική μεμβράνη και την YKT6 ή την VAMP3 στη μεμβράνη του κυστιδίου.^[5]

Η κυστιδική εξωκυττάρωση σε προκαρυωτικά gram αρνητικά βακτήρια είναι ένας τρίτος μηχανισμός και το πιο πρόσφατο εύρημα στην εξωκυττάρωση. Το περίπλασμα αποσπάται ως βακτηριακά κυστίδια εξωτερικής μεμβράνης (outer membrane vesicles, OMVs) για τη μετατόπιση μικροβιακών βιοχημικών σημάτων σε ευκαρυωτικά κύτταρα ξενιστή. ^[6] ή άλλα μικρόβια που βρίσκονται κοντά,^[7] επιτυγχάνοντας τον έλεγχο του εκκρίνοντος μικροβίου στο περιβάλλον του - συμπεριλαμβανομένης της εισβολής στον ξενιστή, της ενδοτοξαιμίας, του ανταγωνισμού με άλλα μικρόβια για τη διατροφή, κ.λπ. Αυτό το εύρημα της μεταφοράς μεμβρανικών κυστιδίων που συμβαίνει στη διεπαφή ξενιστή-παθογόνου διαλύει επίσης τον μύθο ότι η εξωκυττάρωση είναι καθαρά ένα φαινόμενο ευκαρυωτικών κυττάρων.^[8]

Βήματα

Ο μοριακός μηχανισμός που οδηγεί την εξωκυττάρωση στην απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών. Το κεντρικό σύμπλοκο SNARE σχηματίζεται από τέσσερις α-έλικες που συνεισφέρουν η συναπτομπρεβίνη, η συνταξίνη και το SNAP-25, η συναπτοταγμίνη χρησιμεύει ως αισθητήρας ασβεστίου και ρυθμίζει στενά το κλείσιμο SNARE.^[9]

Πέντε βήματα εμπλέκονται στην εξωκυττάρωση:

Διακίνηση κυστιδίων

Ορισμένα βήματα διακίνησης κυστιδίων απαιτούν τη μεταφορά ενός κυστιδίου σε μια σχετικά μικρή απόσταση. Για παράδειγμα, τα κυστίδια που μεταφέρουν πρωτεΐνες από τη συσκευή Golgi στην επιφάνεια του κυττάρου, είναι πιθανό να χρησιμοποιήσουν κινητικές πρωτεΐνες και μια κυτταροσκελετική τροχιά για να πλησιάσουν στον στόχο τους. Πριν η πρόσδεση καταστεί κατάλληλη, πολλές από τις πρωτεΐνες που χρησιμοποιούνται για την ενεργητική μεταφορά θα είχαν ρυθμιστεί για παθητική μεταφορά, επειδή η συσκευή Golgi δεν απαιτεί ATP για τη μεταφορά πρωτεϊνών. Τόσο η βάση ακτίνης όσο και η βάση των μικροσωληνίσκων εμπλέκονται σε αυτές τις διεργασίες, μαζί με αρκετές κινητικές πρωτεΐνες. Μόλις τα κυστίδια φτάσουν στους στόχους τους, έρχονται σε επαφή με παράγοντες πρόσδεσης που μπορούν να τα περιορίσουν.

Δέσμευση κυστιδίων

Είναι χρήσιμο να γίνεται διάκριση μεταξύ της αρχικής, χαλαρής σύνδεσης των κυστιδίων με τον στόχο τους από τις πιο σταθερές, αλληλεπιδράσεις συσκευασίας. Η σύνδεση περιλαμβάνει συνδέσμους σε αποστάσεις μεγαλύτερες από περίπου τη μισή διάμετρο ενός κυστιδίου από μια δεδομένη επιφάνεια μεμβράνης >25 nm). Οι αλληλεπιδράσεις σύνδεσης είναι πιθανό να εμπλέκονται στη συγκέντρωση των συναπτικών κυστιδίων στη σύναψη.

Σύνδεση κυστιδίων

Τα εκκριτικά κυστίδια προσκολλώνται και συντήκονται παροδικά στο πορόσωμα στην κυτταρική πλασματική μεμβράνη, μέσω ενός σφιχτού δακτυλιοειδούς συμπλόκου t-/v-SNARE.

Προετοιμασία κυστιδίων

Στη νευρωνική εξωκυττάρωση, ο όρος προετοιμασία (priming) έχει χρησιμοποιηθεί για να συμπεριλάβει όλες τις μοριακές αναδιατάξεις και τις τροποποιήσεις πρωτεϊνών και λιπιδίων που εξαρτώνται από το ATP και λαμβάνουν χώρα μετά την αρχική σύνδεση ενός συναπτικού κυστιδίου, αλλά πριν από την εξωκυττάρωση, έτσι ώστε η εισροή ιόντων ασβεστίου να είναι το μόνο που χρειάζεται για να πυροδοτήσει σχεδόν ακαριαία απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών. Σε άλλους τύπους κυττάρων, των οποίων η έκκριση είναι ιδιοσυστατική (δηλαδή συνεχής, ανεξάρτητη από ιόντα ασβεστίου, μη πυροδοτούμενη) δεν υπάρχει προετοιμασία.

Σύντηξη κυστιδίων

Η παροδική σύντηξη κυστιδίων καθοδηγείται από πρωτεΐνες SNARE, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση του περιεχομένου των κυστιδίων στον εξωκυτταρικό χώρο (ή, στην περίπτωση νευρώνων, στη συναπτική σχισμή).

Η συγχώνευση των μεμβρανών δότη και δέκτη επιτελεί τρία καθήκοντα:

Η επιφάνεια της πλασματικής μεμβράνης αυξάνεται (από την επιφάνεια του συντηκόμενου κυστιδίου). Αυτό είναι σημαντικό για τη ρύθμιση του μεγέθους των κυττάρων, π.χ., κατά την κυτταρική ανάπτυξη.
Οι ουσίες εντός του κυστιδίου απελευθερώνονται στο εξωτερικό. Αυτά μπορεί να είναι απόβλητα ή τοξίνες, ή σηματοδοτικά μόρια όπως ορμόνες, ή νευροδιαβιβαστές κατά τη συναπτική μετάδοση.
Οι πρωτεΐνες που είναι ενσωματωμένες στη μεμβράνη του κυστιδίου αποτελούν πλέον μέρος της πλασματικής μεμβράνης. Η πλευρά της πρωτεΐνης που ήταν στραμμένη προς το εσωτερικό του κυστιδίου βλέπει τώρα το εξωτερικό του κυττάρου. Αυτός ο μηχανισμός είναι σημαντικός για τη ρύθμιση των διαμεμβρανικών και μεταφορικών παραγόντων.

Ανάκτηση κυστιδίων

Η ανάκτηση των συναπτικών κυστιδίων γίνεται με ενδοκυττάρωση. Τα περισσότερα συναπτικά κυστίδια ανακυκλώνονται χωρίς πλήρη σύντηξη στη μεμβράνη (συγχώνευση φιλιού και τρεξίματος) μέσω ποροσώματος. Η μη ιδιοσυστατική εξωκυττάρωση και η επακόλουθη ενδοκυττάρωση είναι διεργασίες που καταναλώνουν πολύ ενέργεια και, ως εκ τούτου, εξαρτώνται από μιτοχόνδρια.^[10]

Η εξέταση των κυττάρων μετά την έκκριση με ηλεκτρονική μικροσκοπία καταδεικνύει αυξημένη παρουσία μερικώς κενών κυστιδίων μετά την έκκριση. Αυτό υποδηλώνει ότι κατά τη διάρκεια της εκκριτικής διαδικασίας, μόνο ένα μέρος του περιεχομένου των κυστιδίων είναι σε θέση να εξέλθει από το κύτταρο. Αυτό θα μπορούσε να είναι δυνατό μόνο εάν το κυστίδιο επρόκειτο να δημιουργήσει προσωρινά συνέχεια με την κυτταρική πλασματική μεμβράνη στα ποροσώματα, να αποβάλει ένα μέρος του περιεχομένου του, στη συνέχεια να αποκολληθεί, να επανακολληθεί και να αποσυρθεί στο κυτταρόπλασμα (ενδοκυττάρωση). Με αυτόν τον τρόπο, το εκκριτικό κυστίδιο θα μπορούσε να επαναχρησιμοποιηθεί για επόμενους γύρους εξωενδοκυττάρωσης, μέχρι να αδειάσει εντελώς από το περιεχόμενό του.^[11]

Παραπομπές

↑ Rieger, Rigomar· Michaelis, Arnd· Green, Melvin M. (6 Δεκεμβρίου 2012). Glossary of Genetics: Classical and Molecular (στα Αγγλικά). Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-75333-6.
↑ Shin, O. H. (17 Ιανουαρίου 2011). Terjung, Ronald, επιμ. Comprehensive Physiology (στα Αγγλικά). 4 (1 έκδοση). Wiley. σελίδες 149–175. doi:10.1002/cphy.c130021. ISBN 978-0-470-65071-4. PMID 24692137.
↑ Wolfes, Anne C; Dean, Camin (August 2020). «The diversity of synaptotagmin isoforms» (στα αγγλικά). Current Opinion in Neurobiology 63: 198–209. doi:10.1016/j.conb.2020.04.006. PMID 32663762. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0959438820300805.
↑ Pang, Zhiping P; Südhof, Thomas C (August 2010). «Cell biology of Ca2+-triggered exocytosis» (στα αγγλικά). Current Opinion in Cell Biology 22 (4): 496–505. doi:10.1016/j.ceb.2010.05.001. PMID 20561775.
↑ Stalder, Danièle; Gershlick, David C. (November 2020). «Direct trafficking pathways from the Golgi apparatus to the plasma membrane» (στα αγγλικά). Seminars in Cell & Developmental Biology 107: 112–125. doi:10.1016/j.semcdb.2020.04.001. PMID 32317144.
↑ YashRoy R C (1993) Electron microscope studies of surface pili and vesicles of Salmonella 3,10:r:- organisms. Indian Journal of Animal Sciences, vol. 63, pp. 99-102.https://www.researchgate.net/publication/230817087_Electron_microscope_studies_of_surface_pilli_and_vesicles_of_Salmonella_310r-_organisms?ev=prf_pub
↑ Kadurugamuwa, J L; Beveridge, T J (1996). «Bacteriolytic effect of membrane vesicles from Pseudomonas aeruginosa on other bacterial including pathogens: conceptually new antibiotics». Journal of Bacteriology 178 (10): 2767–2774. doi:10.1128/jb.178.10.2767-2774.1996. PMID 8631663. PMC 178010. https://archive.org/details/sim_journal-of-bacteriology_1996-05_178_10/page/2766.
↑ YashRoy, R.C. (1998). «Discovery of vesicular exocytosis in procaryotes and its role in Salmonella invasion». Current Science 75 (10): 1062–1066. http://www.currentscience.ac.in/cs/Downloads/article_id_075_10_1062_1066_0.pdf.
↑ Georgiev, Danko D .· James F . Glazebrook (2007). «Subneuronal processing of information by solitary waves and stochastic processes». Στο: Lyshevski, Sergey Edward, επιμ. Nano and Molecular Electronics Handbook. Nano and Microengineering Series. CRC Press. σελίδες 17–1–17–41. doi:10.1201/9781315221670-17. ISBN 978-0-8493-8528-5. Unknown parameter |s2cid= ignored (βοήθεια)
↑ Ivannikov, M. (2013). «Synaptic vesicle exocytosis in hippocampal synaptosomes correlates directly with total mitochondrial volume». J. Mol. Neurosci. 49 (1): 223–230. doi:10.1007/s12031-012-9848-8. PMID 22772899.
↑ Boron, WF; Boulpaep, EL (2012), Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach, 2, Philadelphia: Elsevier, http://www.studentconsult.com/content/9781437717532/boron/Webnote8.htm#fig1 ^{[νεκρός σύνδεσμος]}

[1] Rieger, Rigomar· Michaelis, Arnd· Green, Melvin M. (6 Δεκεμβρίου 2012). Glossary of Genetics: Classical and Molecular (στα Αγγλικά). Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-75333-6.

[2] Shin, O. H. (17 Ιανουαρίου 2011). Terjung, Ronald, επιμ. Comprehensive Physiology (στα Αγγλικά). 4 (1 έκδοση). Wiley. σελίδες 149–175. doi:10.1002/cphy.c130021. ISBN 978-0-470-65071-4. PMID 24692137.

[3] Wolfes, Anne C; Dean, Camin (August 2020). «The diversity of synaptotagmin isoforms» (στα αγγλικά). Current Opinion in Neurobiology 63: 198–209. doi:10.1016/j.conb.2020.04.006. PMID 32663762. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0959438820300805.

[4] Pang, Zhiping P; Südhof, Thomas C (August 2010). «Cell biology of Ca2+-triggered exocytosis» (στα αγγλικά). Current Opinion in Cell Biology 22 (4): 496–505. doi:10.1016/j.ceb.2010.05.001. PMID 20561775.

[5] Stalder, Danièle; Gershlick, David C. (November 2020). «Direct trafficking pathways from the Golgi apparatus to the plasma membrane» (στα αγγλικά). Seminars in Cell & Developmental Biology 107: 112–125. doi:10.1016/j.semcdb.2020.04.001. PMID 32317144.

[6] YashRoy R C (1993) Electron microscope studies of surface pili and vesicles of Salmonella 3,10:r:- organisms. Indian Journal of Animal Sciences, vol. 63, pp. 99-102.https://www.researchgate.net/publication/230817087_Electron_microscope_studies_of_surface_pilli_and_vesicles_of_Salmonella_310r-_organisms?ev=prf_pub

[7] Kadurugamuwa, J L; Beveridge, T J (1996). «Bacteriolytic effect of membrane vesicles from Pseudomonas aeruginosa on other bacterial including pathogens: conceptually new antibiotics». Journal of Bacteriology 178 (10): 2767–2774. doi:10.1128/jb.178.10.2767-2774.1996. PMID 8631663. PMC 178010. https://archive.org/details/sim_journal-of-bacteriology_1996-05_178_10/page/2766.

[8] YashRoy, R.C. (1998). «Discovery of vesicular exocytosis in procaryotes and its role in Salmonella invasion». Current Science 75 (10): 1062–1066. http://www.currentscience.ac.in/cs/Downloads/article_id_075_10_1062_1066_0.pdf.

[Georgiev20072-9] Georgiev, Danko D .· James F . Glazebrook (2007). «Subneuronal processing of information by solitary waves and stochastic processes». Στο: Lyshevski, Sergey Edward, επιμ. Nano and Molecular Electronics Handbook. Nano and Microengineering Series. CRC Press. σελίδες 17–1–17–41. doi:10.1201/9781315221670-17. ISBN 978-0-8493-8528-5. Unknown parameter |s2cid= ignored (βοήθεια)

[10] Ivannikov, M. (2013). «Synaptic vesicle exocytosis in hippocampal synaptosomes correlates directly with total mitochondrial volume». J. Mol. Neurosci. 49 (1): 223–230. doi:10.1007/s12031-012-9848-8. PMID 22772899.

[11] Boron, WF; Boulpaep, EL (2012), Medical Physiology. A Cellular and Molecular Approach, 2, Philadelphia: Elsevier, http://www.studentconsult.com/content/9781437717532/boron/Webnote8.htm#fig1 ^{[νεκρός σύνδεσμος]}

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]