Поцелуй и беги слияние - Kiss-and-run fusion

Поцелуй и беги слияние это тип синаптический пузырек релиз, где везикул временно открывается и закрывается. В этой форме экзоцитоз, везикула стыкуется и временно сливается с пресинаптической мембраной и высвобождает ее нейротрансмиттеры через синапс, после чего везикулу можно использовать повторно.[1][2]

Поцелуй и беги отличается от полного слияния, когда везикула полностью схлопывается в плазматическая мембрана а затем извлекается клатрин -слойно-зависимый процесс.[3] Идея о том, что нейромедиатор может высвобождаться «квантами» путем слияния синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной, была впервые представлена Бернард Кац и Хосе дель Кастильо в 1955 году, когда впервые появились первые ЭМ-изображения нервных окончаний. Возможность временного слияния и быстрого восстановления мембраны везикул была предложена Бруно Чеккарелли в 1973 году после исследования в электронный микроскоп сильно стимулировал нервно-мышечные соединения лягушки и косвенно поддерживался работой его группы в последующие годы с использованием электрофизиологии, электронной микроскопии и методов быстрого замораживания. Сам термин «поцелуй и беги» был введен сотрудниками Чеккарелли. [2] после того, как были выполнены первые исследования одновременной емкости мембраны и высвобождения амперометрического передатчика, которые показали, что секреторные продукты действительно могут высвобождаться во время временного слияния везикул.[4]Сегодня ведутся споры о полном слиянии и слиянии типа «поцелуй и беги», а также о том, какая модель отражает 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 везикулярного содержимого может выйти из клетки, что было бы возможно только в том случае, если бы секреторные везикулы временно установили непрерывность с плазматической мембраной клетки, вытеснили часть их содержимого, затем отсоедините и снова запечатайте.

Открытие

Временное слияние везикул было предположено Кацем и дель Кастильо в 1955 году.[нужна цитата ] Однако первые систематические исследования были проведены Ceccarelli et al. в 1973 году. Ceccarelli et al. изучили нервно-мышечные соединения лягушки, стимулируя их маркерами, такими как пероксидаза хрена для идентификации эндоцитированных органелл и с использованием протоколов легкой стимуляции (2 Гц) или 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 со временем наблюдалось увеличение количества везикул, меченных пероксидазой хрена, и отсутствие увеличения крупных органелл, что свидетельствует о быстром слиянии везикул с пресинаптической мембраной и последующем отделении от нее после высвобождения ее нейротрансмиттеров.[1] Они выдвинули гипотезу, что при низких частотах стимуляции большинство пузырьков быстро реформируются из пресинаптической мембраны во время и после стимуляции.[1] Дальнейшие исследования в лаборатории Чеккарелли собрали доказательства гипотезы о временном слиянии путем сравнения электрофизиологических и морфологических данных. В частности, изображения слияний везикул были исследованы на замороженных пресинаптических мембранах и на изображениях под электронным микроскопом, полученных с терминалов, замороженных быстро, через несколько мс после доставки одиночного разряда в нерв.[7] В 1993 году Альварес де Толедо и его коллеги напрямую продемонстрировали появление секреторного продукта во время мгновенного открытия временно сливающейся везикулы, объединив измерение емкости мембраны (которая отслеживает изменения в площади поверхности) с амперометрическим детектированием высвобождения медиаторов.[4] Это привело Fesce et al.[2] обобщить все косвенные свидетельства в пользу преходящего слияния и ввести термин «поцелуй и беги». Наиболее убедительное свидетельство преходящего слияния или слияния «поцелуй и бегство» пришло из открытия поросома,[8] постоянная чашеобразная липопротеиновая структура на плазматической мембране клетки, где секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются, высвобождая внутривезикулярное содержимое из клетки.

Доказательства для поцелуя и бега

С открытием механизма «поцелуй и беги» Чеккарелли и др. Было проведено множество последующих исследований, которые подтверждают слияние «поцелуй и беги». Все исследования показали, что существует два основных преимущества слияния типа «поцелуй и беги» по сравнению с полным слиянием: 1) поцелуй и бег обеспечивает более эффективную переработку пузырьков и 2) поцелуй и бег может ограничить количество высвобождаемого нейромедиатора из-за меньшие поры слияния и более короткое время, в течение которого нейротрансмиттеры могут действительно высвобождаться. Одна из основных проблем доказательств типа «поцелуй и беги» и, как следствие, основа для многих контраргументов против «поцелуй и беги», заключается в том, что из-за того, что слияние настолько короткое, очень сложно зафиксировать реальное событие «поцелуй и беги».[9] Однако накопление частично пустых везикул после секреции сильно способствует механизму «поцелуй и беги», предполагая, что во время секреторного процесса только часть везикулярного содержимого способна покинуть клетку, что было бы возможно только в том случае, если бы секреторные везикулы были временно установить непрерывность с плазматической мембраной клетки, удалить часть их содержимого, затем отсоединить и повторно запечатать. С поросомы постоянные структуры на плазматической мембране клетки, измеряющие лишь часть размера секреторных пузырьков, демонстрируют, что секреторные пузырьки «временно» стыкуются и устанавливают непрерывность, в отличие от полного коллапса.

Бета-клетки поджелудочной железы крысы

Поджелудочная крыса бета-клетки высвобождают нейротрансмиттеры посредством слияния поцелуев и бега. В эндокринный и нейроэндокринные клетки, синаптические везикулы (SLV) претерпевают «поцелуй и бегство», но остается спорным, подвергаются ли большие везикулы с плотным ядром (LDCV) «поцелуй и бегство».[10] Исследования показали, что LDCV действительно подвергаются экзоцитозу типа "поцелуй и беги".[10][11] MacDonald et al. использовали несколько подходов для тестирования экзоцитоза «поцелуй и беги» в бета-клетках крыс. Путем мониторинга участков мембраны интактных бета-клеток крысы в ​​присутствии 10 мМ глюкоза и 5 мМ форсколин, Макдональд и др. обнаружили, что некоторые везикулы подверглись «поцелую и бегство», о чем свидетельствует экзоцитоз, за ​​которым следует эндоцитозный событие аналогичного масштаба.[10] На события поцелуев и бега приходилось 25% экзоцитоза LDCV и 28% экзоцитоза SLV.[10] В то время как «поцелуй и бегство» LDCV происходило в 25% случаев в присутствии форсколина, в отсутствие форсколина слияние «поцелуй и бегство» LDCV происходило только в 7% случаев.[10] Потому что форсколин повышает циклический AMP (цАМФ), цАМФ, по-видимому, играет очень важную роль в механизме слияния LDCV «поцелуй и беги» в бета-клетках поджелудочной железы крысы.

Было показано, что поры слияния SLV (диаметр пор: 0,8 +/- 0,1 нм) и LDCV (диаметр пор: 1,4 +/- 0,1 нм) во время «поцелуя и беги» достаточно велики, чтобы обеспечить отток гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и аденозинтрифосфат (ATP), но слишком малы для выпуска инсулин в бета-клетках поджелудочной железы крыс.[10] Таким образом, механизм «поцелуй и бегство» может быть вовлечен в медицинские осложнения, связанные с инсулином.

Синапсы гиппокампа

Было показано, что экзоцитоз типа «поцелуй и беги» происходит в синапсах нейронов, расположенных в гиппокамп. Исследования с использованием FM1-43, амфифил краситель, введенный в везикулы или мембрану в качестве маркера, сыграл важную роль в поддержании «поцелуй-и-беги» в синапсах гиппокампа. Было показано, что в синапсах гиппокампа пузырьки обеспечивают нормальное высвобождение глутамат, возбуждающий нейротрансмиттер в головном мозге, не позволяющий красителю FM1-43 проникать в везикулу или выходить из него, что указывает на временный механизм, наводящий на мысль о поцелуях и бегах.[12] Увеличение осмолярность также было показано, что она способствует меньшему высвобождению красителя в синапсах гиппокампа. В различных гипертонических растворах на 70% больше красителя FM1-43 высвобождалось из везикул, стимулированных при 0,5 осМ, чем из везикул, стимулированных при 1,5 осМ.[12] Таким образом, пузырьки, расположенные в гипертонических областях тела, с большей вероятностью могут подвергнуться экзоцитозу в режиме «поцелуй и беги».

Митохондрии

Митохондрии продемонстрировать слияние поцелуя и бега в обмене внутренняя мембрана материалы. Исследования с использованием митохондриальный матрикс -нацеленная зеленая фотоактивированная, красная флуоресцентная KFP и голубая фотоактивированная зеленая флуоресценция PAGFP в клетках крыс показали взаимодействия, при которых KFP и PAGFP переносились из одной митохондрии в другую митохондрию посредством временного слияния, предполагая механизм поцелуя и бегства .[13] В отличие от полного слияния митохондрий, которое привело к образованию единой органеллы, временное слияние двух митохондрий по принципу «поцелуй и беги» привело к образованию двух разных мембран.[13]

Манипулирование атрофия зрительного нерва 1 Ген (Opa1) оказал интересное влияние на слияние митохондрий. Выключение гена Opa1 снижает активность полного слияния митохондрий через 24 часа, а активность полного слияния полностью устраняется после того, как ген Opa1 замалчивается на 48 часов.[13] Временная активность слияния «поцелуй и беги» оставалась такой же после 24 часов подавления Opa1.[13] Слияние по принципу «поцелуй и беги» чаще всего встречается при низком уровне Opa1. экспрессия гена и чрезвычайно высокий уровень экспрессии гена Opa1. В результате экспрессия Opa1 управляет слиянием в митохондриях в отношении поцелуев и бега.

Слияние «поцелуй и беги» в митохондриях помогает поддерживать митохондрии в состоянии пониженной подвижности в течение более короткого периода времени по сравнению с полным слиянием. Лю и др. протестировали как поцелуй и беги, так и полное слияние и их влияние на подвижность митохондрий, и обнаружили, что обе формы слияния сначала приводили к снижению подвижности митохондрий, но слияние поцелуя и бега восстановило и даже увеличило подвижность митохондрий сразу после Поцелуй и беги закончился.[13] Слияние "поцелуй и беги" обеспечивает лучший механизм для контроля митохондрий. биоэнергетика чем полный фьюжн.

Регулирование

Кальцийзависимое актиновое покрытие

Считается, что слияние «поцелуй и беги» стабилизируется актин покрытие везикул. Тестирование поглощения FM1-43 пузырьками, чтобы отметить, когда везикулы сливаются с мембраной, позволило исследователям заметить, что актиновое покрытие является необходимым этапом для механизма «поцелуй и беги». Везикулы, помеченные бета-актином-зеленый флуоресцентный белок (GFP) флуоресцирует через секунды после слияния с пресинаптической мембраной (как показывает поглощение FM1-43), но неслитые везикулы никогда не флуоресцируют, что позволяет предположить, что для «поцелуя и беги» требуется актиновое покрытие.[14] Это актиновое покрытие появилось из полимеризация мономеров актина.

Процесс актинового покрытия, необходимый для временного слияния «поцелуй и беги», опосредуется кальцием. Актиновое покрытие везикул ингибировалось BAPTA-AM, который удаляет кальций. В отсутствие кальция из-за использования BAPTA-AM все слитые везикулы оставались прикрепленными к пресинаптической мембране, но не высвобождали ее нейротрансмиттеры, что позволяет предположить, что кальций необходим для образования актинового покрытия, и что актиновое покрытие отвечает за механизм для разгрузки пузырьков или высвобождения пузырьков.[14]

Миозин II

Экзоцитоз поцелуев и бега регулируется миозин II. Исследования с использованием флуоресцентная микроскопия полного внутреннего отражения (TIRFM) в нейроэндокринной Клетки PC12 показали, что миозин II регулирует динамику пор слияния во время экзоцитоза поцелуй и беги.[15] Сверхэкспрессия нормальной регуляторной легкой цепи миозина (RLC) в ткани, меченной mRFP (мономерный красный флуоресцентный белок), и ткани мозга, меченной Венерой, приводила к пролонгированной кинетике высвобождения, в то время как сверхэкспрессия мутантной формы миозина II RLC с коротким укороченным высвобождением кинетика.[15] Кинетика пролонгированного высвобождения указывает на более медленное закрытие поры слияния, поэтому миозин II также регулирует, сколько нейромедиатора высвобождается во время экзоцитоза «поцелуй и беги».

SNAREs

Существует много научных дискуссий о роли SNARE белки 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 положение в СНГ положение, за которым следует диссоциация SNARE.[16] Этот процесс считался необратимым. Однако, если происходит экзоцитоз «поцелуй и беги», то это может свидетельствовать о том, что происходит обратимая ассоциация белков SNARE и опосредует режим экзоцитоза «поцелуй и беги».[16] Манипуляции с белками SNARE во время поцелуев и бега могут дать больше информации о том, как они соотносятся, и необходимы дополнительные научные исследования.

Рекомендации

  1. ^ а б c d Ceccarelli, B .; Hurlbut, W. P .; Мауро, А. (1973). «Оборот трансмиттерных и синаптических пузырьков в нервно-мышечном соединении лягушки». Журнал клеточной биологии. 57 (2): 499–524. Дои:10.1083 / jcb.57.2.499. ЧВК  2108980. PMID  4348791.
  2. ^ а б c Fesce, R; Гроховаз, Ф; Валторта, Ф; Мелдолези, Дж (1994). «Высвобождение нейротрансмиттера: синтез или« поцелуй и беги »?». Тенденции в клеточной биологии. 4 (1): 1–4. Дои:10.1016/0962-8924(94)90025-6. PMID  14731821.
  3. ^ Heuser, JE; Риз, Т.С. (1973). «Доказательства рециркуляции мембраны синаптических пузырьков во время высвобождения передатчика в нервно-мышечном соединении лягушки». J. Cell Biol. 57 (2): 315–344. Дои:10.1083 / jcb.57.2.315. ЧВК  2108984. PMID  4348786.
  4. ^ а б Альварес де Толедо, G; Фернандес-Чакон, Р. Фенрандес, JM (1993). «Высвобождение секреторных продуктов при временном слиянии пузырьков». Природа. 363 (6429): 554–558. Bibcode:1993Натура.363..554D. Дои:10.1038 / 363554a0. PMID  8505984. S2CID  4316497.
  5. ^ Он, Л .; Ву, Л. Г. (2007). «Дискуссия о слиянии поцелуев и бега в синапсах». Тенденции в неврологии. 30 (9): 447–455. Дои:10.1016 / j.tins.2007.06.012. PMID  17765328. S2CID  14792145.
  6. ^ Ceccarelli, B .; Hurlbut, W. P .; Мауро, А. (1972). «Истощение пузырьков из нервно-мышечных соединений лягушки при длительной тетанической стимуляции». Журнал клеточной биологии. 54 (1): 30–38. Дои:10.1083 / jcb.54.1.30. ЧВК  2108853. PMID  4338962.
  7. ^ Торри-Тарелли, Ф; Гроховаз, Ф; Fesce, R; Чеккарелли, Б. (1985). «Временное совпадение слияния синаптических везикул и квантовой секреции ацетилхолина». J. Cell Biol. 101 (4): 1386–1399. Дои:10.1083 / jcb.101.4.1386. ЧВК  2113930. PMID  2995407.
  8. ^ Ли Дж.С., Джеремич А., Шин Л., Чо В.Дж., Чен Х, Джена Б.П. (2012). «Протеом нейрональных поросом: молекулярная динамика и архитектура». J Proteomics. 75 (13): 3952–62. Дои:10.1016 / j.jprot.2012.05.017. ЧВК  4580231. PMID  22659300.
  9. ^ Rizzoli, S.O .; Ян Р. (2007). «Поцелуй и беги, коллапс и« легко извлекаемые »пузырьки». Трафик. 8 (9): 1137–1144. Дои:10.1111 / j.1600-0854.2007.00614.x. PMID  17645434. S2CID  12861292.
  10. ^ а б c d е ж MacDonald, P.E .; Браун, М .; Galvanovskis, J .; Рорсман, П. (2006). "Выпуск малых передатчиков через поры слияния" поцелуй и беги "в β-клетках поджелудочной железы крысы". Клеточный метаболизм. 4 (4): 283–290. Дои:10.1016 / j.cmet.2006.08.011. PMID  17011501.
  11. ^ Artalejo, C. R .; Эльхамдани, А .; Палфри, Х.С. (1998). «Секреция: везикулы с плотным ядром тоже могут целоваться и бегать». Текущая биология. 8 (2): R62 – R65. Дои:10.1016 / s0960-9822 (98) 70036-3. PMID  9427637.
  12. ^ а б Стивенс, К. Ф .; Уильямс, Дж. Х. (2000). ""Поцелуй и беги «экзоцитоз в синапсах гиппокампа». Труды Национальной академии наук. 97 (23): 12828–12833. Bibcode:2000PNAS ... 9712828S. Дои:10.1073 / pnas.230438697. ЧВК  18849. PMID  11050187.
  13. ^ а б c d е Лю, X .; Weaver, D .; Shirihai, O .; Хайноцкий, Г. Р. (2009). «Митохондриальный« поцелуй и беги »: взаимодействие между митохондриальной подвижностью и динамикой слияния-деления». Журнал EMBO. 28 (20): 3074–3089. Дои:10.1038 / emboj.2009.255. ЧВК  2771091. PMID  19745815.
  14. ^ а б Miklavc, P .; Wittekindt, O.H .; Felder, E .; Дитль, П. (2009). «Са2 + -зависимое актиновое покрытие пластинчатых тел после экзоцитотического слияния: предварительное условие для высвобождения содержимого или« поцелуй и беги »». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 1152 (1): 43–52. Bibcode:2009НЯСА1152 ... 43М. Дои:10.1111 / j.1749-6632.2008.03989.x. PMID  19161375. S2CID  22589470.
  15. ^ а б Aoki, R .; Kitaguchi, T .; Оя, М .; Yanagihara, Y .; Сато, М .; Miyawaki, A .; Цубои, Т. (2010). «Продолжительность открытия пор слияния и количество выделяемого гормона регулируются миозином II во время экзоцитоза типа« поцелуй и беги »». Биохимический журнал. 429 (3): 497–504. Дои:10.1042 / BJ20091839. PMID  20528772. S2CID  13640188.
  16. ^ а б Palfrey, H.C .; Арталехо, К. Р. (2003). «Секрет: Поцелуй и беги». Текущая биология. 13 (10): R397 – R399. Дои:10.1016 / s0960-9822 (03) 00320-8. PMID  12747851. S2CID  12807086.