В живой клетке постоянно идет обмен веществ с окружающей средой. В нее входят вещества, необходимые для жизнедеятельности, и выходят вещества, которые в ней синтезируются, – продукты клеточной фабрики. Тара для клеточного транспорта – пузырьки, образованные мембраной (везикулы). Они постоянно курсируют внутри клетки: один поток идет от клеточной мембраны, а другой к ней. Мембрана клетки – это порт, где происходит погрузка-разгрузка пузырьков-контейнеров с белками и липидами внутри.
Эндоплазматический ретикулум — внутриклеточный органоид. Состоит из разветвленной сети трубочек, полостей и карманов, окруженных мембраной. Внутри этой сети происходит синтез белков (например, гормонов) и липидов и транспорт их в цитоплазму.
Клеточная фабрика по синтезу веществ находится в так называемом эндоплазматическом ретикулуме. Эта структура представляет собой совокупность каналов и полостей, на стенках которых и происходят основные синтетические процессы. Из него вещества в пузырьках-везикулах поступают в другой клеточный орган – аппарат Гольджи. В нем продукты деятельности клетки дозревают, после чего уже в других пузырьках-везикулах направляются к мембране.
Экспорт-импорт
Поток веществ внутрь клетки называется эндоцитозом, а поток наружу – экзоцитозом. Именно последний процесс детально изучили и рассмотрели под микроскопом ученые из лаборатории клеточной биологии Рокфеллеровского университета (Laboratory of Cellular Biophysics at Rockefeller University).
Биологи долгое время думали, что транспорт внутрь и наружу это два независимых процесса и в них участвуют разные клеточные механизмы. Но применив особый метод микроскопии для тонкого исследования пузырьков, доцент Джоти Джайсуол (Jyoti Jaiswal) и руководитель лаборатории Сэнфорд Симон (Sanford Simon) показали, что оба процесса не столь независимы, как считалось. Регулируют движение в обоих направлениях одни и те же молекулы.
Пометить тару и грузы
Представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн) и связанную с ними систему пузырьков. Внутри него созревают белки, синтезированные в эндоплазматическом ретикулуме и предназначенные для секреции.
Ученые работали с культурой клеток человеческой фибросаркомы. Чтобы увидеть транспорт везикул и их разгрузку на клеточной мембране, исследователи применили метки из флуоресцирующих белков. Одной меткой пометили оболочку везикул, а другой – их содержимое. Флуоресцентная микроскопия помогла биологам увидеть экзоцитоз в реальном времени.
Надо сказать, что существует два вида экзоцитоза, и один, например выделение нейромедиаторов в синаптическую щель, запускается потоком ионов кальция через мембрану под воздействием нервного импульса. Ученые сосредоточились на другом виде экзоцитоза – когда транспорт веществ из клетки происходит постоянно. И первое, что они обнаружили, — этот постоянный экзоцитоз не зависит от кальция. Введение ионов кальция никак не меняло поведения пузырьков с грузом.
«Целуй и беги»
Исследователи впервые описали в деталях процессы разгрузки везикул на мембране. Было известно, что при соприкосновении везикулы с поверхностью клетки их мембраны сливаются и содержимое выбрасывается наружу. Но оказалось, что это происходит в несколько этапов. Ученые описывают соприкосновение везикулы с мембраной выражением «целуй и беги» (kiss-and-run). Сначала их оболочки сливаются частично и через образовавшееся отверстие содержимое выходит наружу, тоже частично. Везикула отходит от мембраны, но через какое-то время может снова «пришвартоваться» и выпустить следующую порцию груза.
Ученые пока не могут дать исчерпывающего объяснения, зачем нужен способ экзоцитоза kiss-and-run. По-видимому, так клетка регулирует свою секреторную активность. Зато они нашли вещества, которые обеспечивают эту регуляцию. Это оказались клатрин, динамин и актин, которые работают на транспорте внутрь клетки – эндоцитозе. Когда ученые на уровне генов блокировали синтез одного из этих трех веществ, механизм kiss-and-run нарушался и везикула полностью сливалась с мембраной и полностью выбрасывала содержимое.
Биологи пришли к заключению, что две составляющие клеточного трафика – эндоцитоз и экзоцитоз используют для регулировки одни и те же механизмы и, следовательно, их эволюция проистекала совместно. А что из этого следует, еще предстоит выяснить.
Статья опубликована в журнале Cell.
