Vesikelfusion - Vesicle fusion
Vesikelfusion är sammanslagningen av en vesikel med andra vesiklar eller en del av ett cellmembran . I det senare fallet är det slutstadiet för utsöndring från sekretoriska blåsor, där deras innehåll utvisas från cellen genom exocytos . Blåsor kan också smälta samman med andra målcellfack, såsom en lysosom . Exocytos inträffar när sekretoriska vesiklar förankras och smälter vid basen av koppformade strukturer vid cellplasmamembranet som kallas porosom , det universella sekretoriska maskineriet i celler. Vesikelfusion kan bero på SNARE-proteiner i närvaro av ökad koncentration av intracellulärt kalcium (Ca 2+ ).
Utlösare
Stimuli som utlöser vesikelfusion fungerar genom att öka intracellulärt Ca 2+ .
- Synaptiska vesiklar begår vesikelfusion genom en nervimpuls som når synapsen och aktiverar spänningsberoende kalciumkanaler som orsakar tillströmning av Ca 2+ in i cellen.
- I endokrina systemet , är många hormoner frisätts av deras frigör hormoner som binder till G-proteinkopplade receptorer kopplade till G q alfa-subenheten , som aktiverar IP3 / DAG-vägen för att öka Ca 2+ . Exempel på denna mekanism inkluderar:
- Gonadotropinfrisättande hormon
- Tyrotropinfrisättande hormon
- Tillväxthormonfrisättande hormon (mindre väg - huvudsaklig är cAMP-beroende väg )
Modellsystem
Modellsystem bestående av en enda fosfolipid eller en blandning har studerats av fysikaliska kemister. Kardiolipin finns främst i mitokondriella membran och kalciumjoner spelar en viktig roll i andningsprocesserna som medieras av mitokondrion . De involverade krafterna har postulerats för att förklara denna process i termer av kärnbildning för agglomerering av mindre supramolekylära enheter eller fasförändringar i strukturen hos biomembranerna.
Mekanismer
Synaptisk klyftfusion
I synaptisk vesikelfusion måste vesikeln vara inom några nanometer från målmembranet för att fusionsprocessen ska börja. Denna närhet gör det möjligt för cellmembranet och vesikeln att utbyta lipider, som förmedlas av vissa proteiner som avlägsnar vatten som kommer mellan bildningskorsningen. När blåsan är på plats måste den vänta tills Ca 2+ kommer in i cellen genom förökning av en åtgärdspotential till det presynaptiska membranet. Ca 2+ binder till specifika proteiner, varav ett är Synaptotagmin , i neuroner som utlöser den fullständiga fusionen av vesikeln med målmembranet.
SNARE-proteiner tros också hjälpa till att förmedla vilket membran som är målet för vilken vesikel.
SNARE protein och porbildning
Montering av SNARE i "trans" -komplexen överbryggar sannolikt de motsatta lipidskikten i membran som tillhör cell- och sekretorisk granulat, vilket för dem i närheten och inducerar deras fusion. Inflödet av kalcium i cellen utlöser fullbordandet av sammansättningsreaktionen, som förmedlas av en interaktion mellan den förmodade kalciumsensorn, synaptotagmin , med membranlipider och / eller det delvis sammansatta SNARE-komplexet.
En hypotes implicerar molekylen Complexin i SNARE-komplexet och dess interaktion med molekylen synaptotagmin. Känd som "klämma" -hypotesen hämmar närvaron av komplexin normalt fusionen av vesikeln till cellmembranet. Bindning av kalciumjoner till synaptotagmin utlöser emellertid komplexet som frigörs eller inaktiveras, så att vesikeln sedan är fri att smälta.
Enligt hypotesen "dragkedja" börjar den komplexa sammansättningen vid de N-terminala delarna av SNARE-motiv och fortsätter mot C-terminalerna som förankrar interagerande proteiner i membran. Bildandet av "trans" -SNARE-komplexet fortsätter genom ett mellanliggande komplex bestående av SNAP-25 och syntaxin-1, som senare rymmer synaptobrevin-2 (de citerade syntaxin- och synaptobrevinisotyperna deltar i neuronal neuromediatorfrisättning).
Baserat på stabiliteten hos det resulterande cis-SNARE-komplexet har det antagits att energi som frigörs under monteringsprocessen tjänar som ett medel för att övervinna de avstötande krafterna mellan membranen. Det finns flera modeller som föreslår förklaring av ett efterföljande steg - bildandet av stjälk och fusionsporer, men den exakta naturen hos dessa processer förblir debatterad. Två av de mest framträdande modellerna för fusionsporbildning är de lipidfodrade och proteinfodrade fusionsporeteorierna.
Lipidfodrad fusionsporeteori
En möjlig modell för fusionsporbildning är lipidlinjeporeteorin. I denna modell, när membranen har förts in i tillräckligt nära närhet via "blixtlås" -mekanismen i SNARE- komplexet, uppträder membranfusion spontant. Det har visat sig att när de två membranen bringas inom ett kritiskt avstånd är det möjligt för hydrofila lipidhuvudgrupper av ett membran att smälta samman med det motsatta membranet. I den lipidfodrade fusionspormodellen fungerar SNARE-komplexet som en byggnadsställning och drar i membranet, vilket får båda membranen att plocka så att de kan nå det kritiska fusionsavståndet. När de två membranen börjar smälta produceras en lipidfodrad stjälk som expanderar radiellt utåt när fusion fortskrider.
Medan en lipidfodrad por är möjlig och kan uppnå alla samma egenskaper som observerats i tidig porbildning, finns det inte tillräckligt med data för att bevisa att det är den enda bildningsmetoden. Det finns för närvarande ingen föreslagen mekanism för intercellulär reglering för fluktuationer av lipidfodrade porer, och de skulle ha en avsevärt svårare tid att producera effekter såsom "kiss-and-run" jämfört med deras proteinfodrade motsvarigheter. Lipidfodrad porer effektivitet skulle också vara mycket beroende av sammansättningen av båda membranen, och dess framgång eller misslyckande kan variera vilt med förändringar i elasticitet och styvhet.
Proteinfodrad fusionsporeteori
En annan möjlig modell för fusionsporbildning är den proteinfodrade porteorin. I denna modell, efter aktivering av synaptotagmin av kalcium, samlas flera SNARE-komplex för att bilda en ringstruktur, med synaptobrevin som bildar porerna i vesikelmembranet och Syntaxin bildar porerna i cellmembranet. När den initiala poren expanderar innehåller den lipider från båda dubbelskikten, vilket slutligen resulterar i fullständig fusion av de två membranen. SNARE-komplexet har en mycket mer aktiv roll i den proteinklädda porteorin; på grund av att poren till en början helt består av SNARE-proteiner, kan porerna lätt genomgå intercellulär reglering, vilket gör fluktuationer och "kyss-och-kör" -mekanismer lätt att uppnå.
En proteinfodrad por uppfyller perfekt alla de observerade kraven i den tidiga fusionsporen, och medan vissa data stöder denna teori finns det inte tillräckligt med data för att uttala den som den primära fusionsmetoden. En proteinfodrad por kräver minst fem kopior av SNARE-komplexet medan fusion har observerats med så få som två.
I båda teorierna förblir SNARE-komplexets funktion i stort sett oförändrad, och hela SNARE-komplexet är nödvändigt för att initiera fusion. Det har emellertid bevisats att in vitro syntaxin i sig är tillräckligt för att driva spontan kalciumoberoende fusion av synaptiska vesiklar innehållande v-SNARE. Detta tyder på att i Ca 2+ -beroende neuronal exocytos är synaptotagmin en dubbel regulator, i frånvaro av Ca 2+ -joner för att hämma SNARE-dynamik, medan i närvaro av Ca 2 + -joner för att fungera som agonist i membranfusionsprocessen.
Kiss-and-run-hypotes
I synaptiska vesiklar har vissa neurokemister föreslagit att vesiklar ibland kanske inte helt smälter samman med presynaptiska membran i neurotransmittorfrisättning i den synaptiska klyftan . Kontroversen ligger i huruvida endocytos alltid inträffar vid reformering av vesiklar efter frisättning av neurotransmittorn. En annan föreslagen mekanism för frisättning av vesikelinnehåll i extracellulär vätska kallas kiss-and-run-fusion .
Det finns en viss indikation på att vesiklar bara kan bilda en liten por i det presynaptiska membranet, vilket gör att innehållet kan frigöras genom standarddiffusion en kort stund innan det återgår till den presynaptiska cellen. Denna mekanism kan vara en väg runt klatrinmedierad endocytos . Det föreslås också att vesikeln inte behöver återvända till en endosom för att fylla på, även om det inte förstås grundligt av vilken mekanism den skulle fylla på. Detta utesluter inte full vesikelfusion, men säger bara att båda mekanismerna kan fungera i synaptiska spalter.
"Kiss and run" har visat sig förekomma i endokrina celler, men det har inte bevittnats direkt i synaptiska luckor.
Se även
- SNARA
- Presynaptisk aktiv zon
- Liposomer används som modeller för konstgjorda celler i membranfusionsstudier .