Поцелуй и беги слияние - Kiss-and-run fusion

Слияние «поцелуй и беги» - это тип высвобождения синаптических везикул, при котором везикула временно открывается и закрывается. В этой форме экзоцитоза везикула стыкуется и временно сливается с пресинаптической мембраной и высвобождает ее нейротрансмиттеры через синапс , после чего везикула может быть повторно использована.

Поцелуй и беги отличается от полного слияния, когда везикула полностью схлопывается в плазматическую мембрану, а затем извлекается с помощью процесса, зависящего от клатрина . Идея о том, что нейротрансмиттер может высвобождаться «квантами» путем слияния синаптических пузырьков с пресинаптической мембраной, была впервые представлена Бернардом Кацем 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 электронном микроскопе сильно стимулированных нервно-мышечных соединений лягушки и косвенно подтверждена работой его группы в последующие годы с использованием электрофизиологии и электронной микроскопии. и методы быстрого замораживания. Фактический термин «поцелуй и беги» был введен сотрудниками Чеккарелли после того, как были выполнены первые исследования одновременных измерений емкости мембраны и амперометрического высвобождения передатчика, которые показали, что секреторные продукты действительно могут высвобождаться во время временного слияния везикул. Сегодня ведутся споры о полном слиянии и слиянии типа «поцелуй и беги», а также о том, какая модель отображает более точную картину механизмов, лежащих в основе синаптического высвобождения. 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 пузырьков было предположено Katz и del Castillo в 1955 году. Однако первые систематические исследования были проведены Ceccarelli et al. в 1973 г. Ceccarelli et al. изучали нервно-мышечные соединения лягушки, стимулируя их с помощью маркеров, таких как пероксидаза хрена, для выявления эндоцитированных органелл, и используя протоколы мягкой стимуляции (2 Гц) или сильной стимуляции (10 Гц) в течение периодов от 20 минут до 4 часов. 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, а затем отделении от нее после высвобождения ее нейротрансмиттеров. Они выдвинули гипотезу, что при низких частотах стимуляции большая часть пузырьков быстро восстанавливается из пресинаптической мембраны во время и после стимуляции. Дальнейшие исследования в лаборатории Чеккарелли собрали доказательства гипотезы временного слияния 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, быстро замороженных через несколько миллисекунд после доставки одиночного разряда к нерву. 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. Это привело Fesce et al. обобщить все косвенные свидетельства в пользу временного слияния и ввести термин «поцелуй и беги». Наиболее убедительное свидетельство преходящего слияния или слияния типа «поцелуй и бегство» было получено благодаря открытию поросомы , постоянной чашеобразной липопротеиновой структуры на плазматической мембране клетки, где секреторные везикулы временно стыкуются и сливаются, чтобы высвободить внутрипузырное содержимое из клетка.

Доказательства 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 есть 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 высвобождение 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 бегство» и, следовательно, основание для многих контраргументов против «поцелуй и бегство» заключается в том, что из-за того, что слияние настолько короткое, очень сложно зафиксировать реальное событие «поцелуй и беги». Однако накопление частично пустых везикул после секреции сильно способствует механизму «поцелуй и беги», предполагая, 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 были временно установить непрерывность с плазматической мембраной клетки, удалить часть их содержимого, затем отсоединить и повторно запечатать. Поскольку поросомы представляют собой постоянные структуры на плазматической мембране клетки, измеряющие лишь часть размера секреторных пузырьков, это демонстрирует, что секреторные пузырьки «временно» стыкуются и устанавливают непрерывность, в отличие от полного коллапса.

Бета-клетки поджелудочной железы крысы

Бета-клетки поджелудочной железы крысы выделяют нейротрансмиттеры посредством слияния «поцелуй и беги». В эндокринных и нейроэндокринных клетках синаптические везикулы (SLV) подвергаются «поцелую и бегство», но вопрос о том, подвержены ли большие везикулы с плотным ядром (LDCV) также «поцелую и бегство», вызывает споры. Исследования показали, что LDCV действительно подвергаются экзоцитозу типа "поцелуй и беги". 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 глюкозы и 5 мМ форсколина MacDonald et al. обнаружили, что некоторые везикулы претерпевают «поцелуй и бегство», о чем свидетельствует экзоцитоз, за ​​которым следует эндоцитоз аналогичной величины. На события «Поцелуй и беги» приходилось 25% экзоцитоза LDCV и 28% экзоцитоза SLV. 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. Поскольку форсколин повышает уровни циклического АМФ (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 бега достаточно велики, чтобы обеспечить отток гамма-аминомасляной кислоты ( ГАМК) и аденозинтрифосфат (АТФ), но они слишком малы, чтобы высвобождать инсулин в бета-клетках поджелудочной железы крысы. Таким образом, механизм «поцелуй и бегство» может быть связан с медицинскими осложнениями, связанными с инсулином.

Синапсы гиппокампа

Было показано, что экзоцитоз «поцелуй и беги» происходит в синапсах нейронов, расположенных в гиппокампе . Исследования с использованием FM1-43, амфифильного красителя, вставленного в везикулы или мембрану в качестве маркера, сыграли важную роль в поддержании «поцелуй-и-беги» в синапсах гиппокампа. Было показано, что в синапсах гиппокампа везикулы обеспечивают нормальное высвобождение глутамата , возбуждающего нейротрансмиттера в головном мозге, не позволяя красителю FM1-43 проникать в везикулу или выходить из него, что указывает на временный механизм, наводящий на мысль о поцелуях и бегах. Также было показано, что увеличение осмолярности 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. Следовательно, везикулы, расположенные в гипертонических областях тела, с большей вероятностью могут подвергнуться экзоцитозу по типу «поцелуй и беги».

Митохондрии

Митохондрии демонстрируют слияние по принципу «поцелуй и беги» при обмене материалами внутренней мембраны . Исследования с использованием митохондриального матрикса, нацеленного на зеленый фотоактивированный, красный флуоресцентный KFP и голубовато-фотоактивированный, зеленый флуоресцентный PAGFP в клетках крыс, показали взаимодействия, при которых KFP и PAGFP переносились из одной митохондрии в другую митохондрию посредством временного слияния, что свидетельствует о поцелуе ходовой механизм. В отличие от полного слияния митохондрий, которое привело к образованию единой органеллы, временное слияние двух митохондрий по принципу «поцелуй и бегство» привело к образованию двух различных мембран.

Манипуляции с геном атрофии зрительного нерва 1 (Opa1) оказали интересное влияние на слияние митохондрий. Отключение гена Opa1 снижает активность полного слияния митохондрий через 24 часа, а активность полного слияния полностью устраняется после подавления гена Opa1 на 48 часов. Временная активность слияния «поцелуй и беги» оставалась такой же после 24 часов подавления Opa1. Слияние типа «поцелуй и беги» наиболее часто встречается при низких уровнях экспрессии гена Opa1 и чрезвычайно высоких уровнях 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-бег, так и полное слияние и их влияние на подвижность митохондрий, и обнаружили, что обе формы слияния поначалу приводили к снижению подвижности митохондрий, но слияние поцелуя и бега восстанавливало и даже увеличивало подвижность митохондрий сразу после Поцелуй и беги закончился. Слияние по принципу «поцелуй и беги» обеспечивает лучший механизм для управления биоэнергетикой митохондрий, чем полное слияние.

Регулирование

Кальцийзависимое актиновое покрытие

Считается, что слияние «поцелуй и беги» стабилизируется актиновым покрытием пузырьков. 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, меченные бета-актин- зеленым флуоресцентным белком (GFP), флуоресцируют через несколько секунд после слияния с пресинаптической мембраной (как показывает захват FM1-43), но неслитые везикулы никогда не флуоресцируют, что позволяет предположить, что для поцелуев требуется актиновое покрытие. и беги. Это актиновое покрытие возникло в результате полимеризации мономеров актина.

Процесс актинового покрытия, необходимый для кратковременного слияния типа «поцелуй и беги», опосредуется кальцием. Актиновое покрытие везикул ингибировалось BAPTA-AM, который удаляет кальций. При отсутствии 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.

Миозин II

Экзоцитоз «поцелуй и беги» регулируется миозином II. Исследования с использованием флуоресцентной микроскопии полного внутреннего отражения (TIRFM) в нейроэндокринных клетках PC12 показали, что миозин II регулирует динамику пор слияния во время экзоцитоза «поцелуй и беги». Сверхэкспрессия нормальной регуляторной легкой цепи (RLC) миозина II в ткани, меченной mRFP (мономерный красный флуоресцентный белок), и ткани мозга, меченной Венерой, привела к пролонгированной кинетике высвобождения, в то время как сверхэкспрессия мутантной формы миозина II RLC с коротким укороченным высвобождением кинетика. 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 дебатов о роли белков SNARE в экзоцитозе типа «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- положения в цис- положение, за которым следует диссоциация SNARE. Этот процесс считался необратимым. Однако, если происходит экзоцитоз «поцелуй и беги», то это может указывать на то, что происходит обратимая ассоциация белков SNARE и опосредует режим экзоцитоза «поцелуй и беги». Манипуляции с белками SNARE во время поцелуев и бега могут дать больше информации о том, как они соотносятся, и потребуются дополнительные научные исследования.

использованная литература

  1. ^ a b c d Ceccarelli, B .; Hurlbut, WP; Мауро, А. (1973). "Оборот передатчика и синаптических пузырьков в нервно-мышечном соединении лягушки" . Журнал клеточной биологии . 57 (2): 499–524. DOI : 10,1083 / jcb.57.2.499 . PMC  2108980 . PMID  4348791 .
  2. ^ a b 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. DOI : 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. DOI : 10,1083 / jcb.57.2.315 . PMC  2108984 . PMID  4348786 .
  4. ^ а б Альварес де Толедо, G; Fernàndez-Chacòn, R; Фенрандес, JM (1993). «Высвобождение секреторных продуктов при временном слиянии везикул». Природа . 363 (6429): 554–558. Bibcode : 1993Natur.363..554D . DOI : 10.1038 / 363554a0 . PMID  8505984 . S2CID  4316497 .
  5. ^ Он, L .; Ву, LG (2007). «Дискуссия о слиянии поцелуев и бега в синапсах». Тенденции в неврологии . 30 (9): 447–455. DOI : 10.1016 / j.tins.2007.06.012 . PMID  17765328 . S2CID  14792145 .
  6. ^ Ceccarelli, B .; Hurlbut, WP; Мауро, А. (1972). «Истощение пузырьков из нервно-мышечных соединений лягушки при длительной тетанической стимуляции» . Журнал клеточной биологии . 54 (1): 30–38. DOI : 10,1083 / jcb.54.1.30 . PMC  2108853 . PMID  4338962 .
  7. ^ Торри-Тарелли, F; Гроховаз, Ф; Fesce, R; Чеккарелли, Б. (1985). «Временное совпадение слияния синаптических пузырьков и квантовой секреции ацетилхолина» . J. Cell Biol . 101 (4): 1386–1399. DOI : 10,1083 / jcb.101.4.1386 . PMC  2113930 . PMID  2995407 .
  8. ^ Ли JS, Еремич A, Shin L, чо WJ, Chen X, Jena BP (2012). «Протеом нейрональных поросом: молекулярная динамика и архитектура» . J Proteomics . 75 (13): 3952–62. DOI : 10.1016 / j.jprot.2012.05.017 . PMC  4580231 . PMID  22659300 .
  9. ^ Риццоли, SO; Ян Р. (2007). «Поцелуй и беги, коллапс и« легко извлекаемые »пузырьки» . Трафик . 8 (9): 1137–1144. DOI : 10.1111 / j.1600-0854.2007.00614.x . PMID  17645434 . S2CID  12861292 .
  10. ^ Б с д е е MacDonald, PE; 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. DOI : 10.1016 / j.cmet.2006.08.011 . PMID  17011501 .
  11. ^ Artalejo, CR; Эльхамдани, А .; Палфри, ХК (1998). «Секреция: везикулы с плотным ядром тоже могут целоваться и бегать» . Текущая биология . 8 (2): R62 – R65. DOI : 10.1016 / s0960-9822 (98) 70036-3 . PMID  9427637 .
  12. ^ а б Стивенс, CF; Уильямс, JH (2000). « Экзоцитоз « поцелуй и беги »в синапсах гиппокампа» . Труды Национальной академии наук . 97 (23): 12828–12833. Bibcode : 2000PNAS ... 9712828S . DOI : 10.1073 / pnas.230438697 . PMC  18849 . PMID  11050187 .
  13. ^ a b c d e Лю, X .; Weaver, D .; Shirihai, O .; Хайноцкий, Г. Р. (2009). «Митохондриальный« поцелуй и беги »: взаимодействие между подвижностью митохондрий и динамикой слияния-деления» . Журнал EMBO . 28 (20): 3074–3089. DOI : 10.1038 / emboj.2009.255 . PMC  2771091 . PMID  19745815 .
  14. ^ a b Miklavc, P .; Виттекиндт, Огайо; Felder, E .; Дитль, П. (2009). «Са2 + -зависимое актиновое покрытие пластинчатых тел после экзоцитозного слияния: предварительное условие для высвобождения содержимого или« поцелуй и беги »». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 1152 (1): 43–52. Bibcode : 2009NYASA1152 ... 43М . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.2008.03989.x . PMID  19161375 . S2CID  22589470 .
  15. ^ a b 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. DOI : 10.1042 / BJ20091839 . PMID  20528772 . S2CID  13640188 .
  16. ^ а б Палфри, ХК; Арталехо, CR (2003). «Секрет: Поцелуй и беги, снятый на пленку» . Текущая биология . 13 (10): R397 – R399. DOI : 10.1016 / s0960-9822 (03) 00320-8 . PMID  12747851 . S2CID  12807086 .