Фагосома в клетке выполняет функцию кратко

Обновлено: 04.07.2024

Фагосома, или пищеварительная вакуоль, — вакуоль, образующаяся в процессе фагоцитоза, внутри которой находятся субстраты, подлежащие перевариванию.

У простейших крупные частицы захватываются в фагоцитарные вакуоли, которые сливаются с лизосомами. Продукты переваривания проникают в цитозоль и используются в качестве пищи. У многоклеточных организмов большинство клеток не способно эффективно поглощать крупные частицы. Для этой цели существуют фагоциты — специальные клетки, осуществляющие фагоцитоз. Фагосомы в фагоцитах так же, как у простейших, сливаются с первичными лизосомами и формируют вторичные лизосомы, в которых захваченный материал деградирует. Непереваренные вещества остаются во вторичных лизосомах, образуя остаточные тельца. Случайный или обусловленный рецепторами контакт микробной клетки с фагоцитом (макрофагом, нейтрофилом) приводит к образованию выростов мембраны — псевдоподий, окружающих чужеродную клетку, и формированию вакуоли — фагосомы. Фагосома погружается в клетку, где после слияния с лизосомами образует фаголизосому.

А фагосома Также известная как эндоцитарная везикула, она представляет собой везикулу, образованную инвагинацией плазматической мембраны и охватывающей фагоцитарную частицу или микроорганизм. Фагоцитоз - единственный метод питания для некоторых простейших, который также используется для этой цели некоторыми низшими многоклеточными животными.

Однако у большинства животных фагоцитарная функция некоторых клеток сохраняется, но они перестают выполнять функцию питания, чтобы стать неспецифическим механизмом защиты от патогенов, а также для устранения мертвых или стареющих клеток.

Фагосома, образованная во время фагоцитоза, затем сливается с лизосомой, давая начало фаголизосоме. При этом происходит переваривание проглоченного материала. Таким образом, организм может улавливать и уничтожать бактерии. Однако некоторые из них способны выжить и даже процветать в фагосомах.

характеристики

Для образования фагосом патогены или опсонины должны связываться с трансмембранным рецептором, который случайным образом распределяется на поверхности клеток фагоцитов.

Опсонины - это молекулы, которые служат метками, такими как антитела, которые будут связываться с патогенами и регулировать процесс фагоцитоза.

Поскольку фагосома формируется как инвагинация плазматической мембраны, ее мембрана будет иметь тот же основной состав, что и липидный бислой.

Фагосомы содержат мембраносвязанные белки, которые рекрутируются и сливаются с лизосомами с образованием зрелых фаголизосом.

Обучение

Фагоцитоз - это последовательный процесс, который включает несколько стадий, таких как: хемотаксис, адгезия, эндоцитоз, образование фагосомы, образование фаголизосомы, подкисление фаголизосомы, образование активных кислородных метаболитов, активация лизосомальных гидролаз, высвобождение переваренного материала, образование остаточное тело и, наконец, экзоцитоз.

Эндоцитоз и фагосома

Эндоцитоз - это механизм, с помощью которого частицы или микроорганизмы попадают снаружи внутрь клеток. Этот процесс может быть оптимизирован опсинизацией частиц и обычно происходит через рецепторы, расположенные в покрытых клатрином областях мембраны.

Процесс включает инвагинацию плазматической мембраны, приводящую к образованию фагоцитарной вакуоли. Адгезия частиц или микроорганизмов к мембране вызывает полимеризацию актина, а также образование псевдоподий. Эти псевдоножки будут окружать проглатываемый материал и сливаться за ним.

Во время этого процесса важно участие нескольких белков, таких как киназа C, фосфоинозитид-3-киназа и фосфолипаза C. Когда инвагинация заканчивается закрытием, образуется везикула или фагосома, которая отделяется от мембраны и дрейфует в направлении внутри клетки.

Фаголизосома

Вскоре после образования фагосомы происходит деполимеризация F-актина, которая изначально связана с фагосомой. Мембрана этой клетки становится доступной для ранних эндосом.

Затем фагосома движется вдоль микротрубочек цитоскелета, в то время как она проходит через серию событий слияния и деления с участием различных белков, таких как аннексины и ГТФазы rap7, rap5 и rap1.

Эти события заставляют мембрану фагосомы и ее содержимое созревать и могут сливаться с поздними эндосомами, а затем и с лизосомами с образованием фаголизосомы.

Скорость слияния фагосом и лизосом зависит от природы проглоченной частицы, но обычно это занимает 30 минут. Это слияние не обязательно требует полного соединения мембран для формирования фаголизосомы.

В некоторых случаях соединение между фагосомой и лизосомой достигается за счет узких водных мостиков. Эти мосты допускают только ограниченный обмен содержимым обеих структур.

Остаточное тело

После того как гидролиз частицы или микроорганизма произойдет, полученные молекулы будут высвобождены в цитозоль клетки, а отходы останутся внутри везикулы, которая станет остаточным телом.

Позже эти отходы будут выпущены за пределы клетки в результате процедуры, называемой экзоцитозом.

Характеристики

Устранение болезнетворных микроорганизмов

Фагосомы, известные как макрофаги и нейтрофилы, называются профессиональными фагоцитами и являются клетками, ответственными за большую часть захвата и устранения патогенов. Эти два типа клеток имеют разные методы разложения бактерий.

Нейтрофилы производят токсичный кислород, а также производные хлора для уничтожения бактерий, а также используют протеазы и антимикробные пептиды. С другой стороны, макрофаги больше зависят от подкисления фаголизосом, а также от использования протеолитических и гликолитических ферментов для уничтожения патогенов.

Воспаление

Процесс образования фагосом связан с воспалительными процессами через общие сигнальные молекулы. Например, киназа PI-3 и фосфолипаза C участвуют в образовании фагосом, а также являются важными компонентами врожденного иммунного ответа.

Эти белки индуцируют выработку провоспалительных цитокинов в строго регулируемом процессе, воспалительная реакция которых будет зависеть от типа частицы, заключенной в фагосоме.

Презентация антигенов

Незрелые дендритные клетки способны к фагоцитозу патогенных элементов. Фагосомы этих клеток лишь частично разрушают фагоцитированные патогены.

В результате этой частичной деградации получаются фрагменты белка адекватного размера для специфического бактериального распознавания. Эти фрагменты нацелены на главный комплекс гистосовместимости и используются для активации Т-клеток для иммунного ответа.

Питание

Многие простейшие используют фагоцитоз в качестве механизма питания. В некоторых случаях это даже их единственный механизм получения питательных веществ. В этих случаях время, прошедшее между поглощением частицы пищи и ее перевариванием внутри фагосомы, намного короче, чем время, используемое профессиональными фагоцитами.

Устранение клеток

Фагосомы отвечают за устранение старых и апоптотических клеток как механизм достижения гомеостаза тканей. Например, красные кровяные тельца имеют один из самых высоких показателей оборота в организме. Таким образом, стареющие эритроциты фагоцитируются макрофагами, расположенными в печени и селезенке.

В клеточная биология, а фагосома это везикул формируется вокруг частицы, охваченной фагоцит через фагоцитоз. К профессиональным фагоцитам относятся: макрофаги, нейтрофилы, и дендритные клетки (DC). Фагосома образуется путем слияния клеточная мембрана вокруг микроорганизм, а стареющая клетка или апоптотическая клетка. Фагосомы имеют мембраносвязанные белки набирать и сливаться с лизосомы сформировать зрелый фаголизосомы. Лизосомы содержат гидролитические ферменты и активные формы кислорода (ROS), которые убивают и переваривают патогены. Фагосомы также могут образовываться в непрофессиональных фагоцитах, но они могут охватывать только меньший диапазон частиц и не содержат АФК. Полезные материалы (например, аминокислоты) из переваренных частиц перемещаются в цитозоль, а отходы удаляются экзоцитоз. Формирование фагосом имеет решающее значение для гомеостаза тканей и как врожденной, так и адаптивной защиты хозяина от патогенов.

Однако некоторые бактерии может использовать фагоцитоз в качестве стратегии вторжения. Они либо воспроизводятся внутри фаголизосомы. (например. Coxiella виды) [1] или сбежать в цитоплазма до того, как фагосома сливается с лизосомой (например, Риккетсия виды). [2] Многие микобактерии, в том числе Микобактерии туберкулеза [3] [4] и Mycobacterium avium paratuberculosis, [5] может манипулировать хозяином макрофаг для предотвращения слияния лизосом с фагосомами и создания зрелых фаголизосом. Такое неполное созревание фагосомы поддерживает среду, благоприятную для патогенов внутри нее. [6]

Содержание

Формирование

Фагосомы достаточно велики, чтобы разлагать целые бактерии или апоптотический и стареющие клетки, которые обычно имеют диаметр> 0,5 мкм. [7] Это означает, что фагосома на несколько порядков больше, чем эндосома, который измеряется в нанометры.

Фагосомы образуются, когда патогены или опсонины связываются с трансмембранными рецепторами, которые случайным образом распределены на поверхности фагоцитов. При связывании срабатывает сигнализация "снаружи-внутрь" актин полимеризация и псевдоподия образование, которое окружает и сливается с микроорганизмом. Протеинкиназа C, фосфоинозитид-3-киназа, и фосфолипаза C (PLC) необходимы для сигнализации и управления интернализацией частиц. [8] Больше рецепторов клеточной поверхности может связываться с частицей по механизму, похожему на застежку-молнию, когда патоген окружен, увеличивая связывание жадность. [9] Рецептор Fc (FcR), рецепторы комплемента (CR), рецептор маннозы и Dectin-1 являются фагоцитарными рецепторами, что означает, что они могут вызывать фагоцитоз, если они экспрессируются в нефагоцитарных клетках, таких как фибробласты. [10] Другие белки, такие как Толл-подобные рецепторы участвуют в распознавании паттернов патогенов и часто задействуются в фагосомах, но не вызывают специфического запуска фагоцитоза в нефагоцитарных клетках, поэтому они не считаются фагоцитарными рецепторами.

Опсонизация

Опсонины - это молекулярные метки, такие как антитела и дополняет которые прикрепляются к патогенам и регулируют фагоцитоз. Иммуноглобулин G (IgG) является основным типом антител, присутствующих в сыворотка. Это часть адаптивная иммунная система, но он ссылается на врожденный ответ путем привлечения макрофагов к фагоцитозу патогенов. Антитело связывается с микробами с переменной Fab домен, и домен Fc связывается с рецепторами Fc (FcR), чтобы вызвать фагоцитоз.

Комплемент-опосредованная интернализация имеет гораздо менее значительные мембранные выступы, но нижестоящая передача сигналов обоих путей сходится, чтобы активировать Rho GTPases. [11] Они контролируют полимеризацию актина, которая необходима для слияния фагосомы с эндосомами и лизосомами.

Нефагоцитарные клетки

Другие непрофессиональные фагоциты обладают некоторой степенью фагоцитарной активности, например, эпителиальные клетки щитовидной железы и мочевого пузыря, которые могут поглощать эритроциты, и эпителиальные клетки сетчатки, которые усваивают стержни сетчатки. [7] Однако непрофессиональные фагоциты не экспрессируют специфические фагоцитарные рецепторы, такие как FcR, и имеют гораздо более низкую скорость интернализации.

Некоторые инвазивные бактерии также могут вызывать фагоцитоз в нефагоцитарных клетках, чтобы опосредовать захват организма хозяином. Например, Шигелла может секретировать токсины, которые изменяют цитоскелет хозяина и проникают в базолатеральную сторону энтероциты. [12]

Структура

Поскольку мембрана фагосомы образована путем слияния плазматической мембраны, основной состав фосфолипидный бислой та же. Затем эндосомы и лизосомы сливаются с фагосомой, чтобы внести свой вклад в мембрану, особенно когда поглощенная частица очень большая, например, паразит. [13] Они также доставляют различные мембранные белки в фагосому и модифицируют структуру органелл.

Фагосомы могут поглощать искусственные малоплотные латекс бусинки, а затем очищены сахароза градиент концентрации, позволяющий изучить структуру и состав. [14] Процесс созревания также можно охарактеризовать путем очистки фагосом в разные моменты времени. Ранние фагосомы характеризуются Rab5, который переходит в Rab7 по мере созревания пузырьков в поздние фагосомы.

Процесс созревания

Возникающая фагосома по своей природе не является бактерицидной. По мере созревания он становится более кислым от pH 6,5 до pH 4 и приобретает характерные белковые маркеры и гидролитические ферменты. Различные ферменты действуют при различных оптимальных значениях pH, образуя диапазон, поэтому каждый из них работает на узких стадиях процесса созревания. Активность ферментов можно точно настроить, изменив уровень pH, что обеспечивает большую гибкость. Фагосома движется микротрубочки из цитоскелет, сливаясь с эндосомами и лизосомами последовательно в динамическом "поцелуй и беги" манера. [15] Этот внутриклеточный транспорт зависит от размера фагосом. Органеллы большего размера (диаметром около 3 мкм) очень устойчиво транспортируются от периферии клетки к перинуклеарной области, тогда как органеллы меньшего размера (диаметром около 1 мкм) перемещаются более двунаправленно взад и вперед между центром клетки и периферией клетки. [16] Вакуолярные протонные насосы (v-АТФаза) доставляются к фагосомам для подкисления компартмента органелл, создавая более враждебную среду для патогенов и облегчая деградацию белка. Бактериальные белки денатурируются при низком pH и становятся более доступными для протеаз, на которые не влияет кислая среда. Позднее ферменты рециркулируются из фаголизосомы перед перевариванием, поэтому они не теряются. Состав фосфолипидной мембраны также изменяется по мере созревания фагосомы. [14]

Слияние может занять от нескольких минут до часов в зависимости от содержимого фагосомы; Слияние, опосредованное FcR или рецептором маннозы, длится менее 30 минут, но фагосомам, содержащим латексные шарики, может потребоваться несколько часов для слияния с лизосомами. [7] Предполагается, что состав фагосомной мембраны влияет на скорость созревания. Микобактерии туберкулеза имеет очень гидрофобный клеточная стенка, который, как предполагается, предотвращает рециклинг мембран и рекрутирование факторов слияния, поэтому фагосома не сливается с лизосомами, и бактерия избегает деградации. [17]

Регулирование термоядерного синтеза

Вскоре после интернализации F-актин деполимеризуется из новообразованной фагосомы, поэтому он становится доступным для эндосом для слияния и доставки белков. [7] Процесс созревания делится на раннюю и позднюю стадии в зависимости от характерных белковых маркеров, регулируемых малыми Rab GTPases. Rab5 присутствует на ранних фагосомах и контролирует переход к поздним фагосомам, маркированным Rab7. [18]

Rab5 привлекает киназу PI-3 и другие связывающие белки, такие как Vps34, на мембрану фагосомы, поэтому эндосомы могут доставлять белки к фагосоме. Rab5 частично участвует в переходе к Rab7 через комплекс CORVET и комплекс HOPS у дрожжей. [18] Точный путь созревания у млекопитающих не совсем понятен, но предполагается, что HOPS может связывать Rab7 и вытеснять ингибитор диссоциации гуанозиновых нуклеотидов (GDI). [19] Rab11 участвует в переработке мембран. [20]

Фаголизосома

Фагосома сливается с лизосомами с образованием фаголизосомы, которая обладает различными бактерицидными свойствами. Фаголизосома содержит реактивный кислород и азотные виды (ROS и RNS) и гидролитические ферменты. Компартмент также является кислым из-за протонных насосов (v-АТФаз), которые транспортируют H + через мембрану, используемую для денатурации бактериальных белков.

Функция

Распад патогенов

Макрофаги и нейтрофилы - это профессиональные фагоциты, отвечающие за большую часть деградации патогенов, но они имеют разные бактерицидные методы. Нейтрофилы имеют гранулы, которые сливаются с фагосомой. Гранулы содержат НАДФН оксидаза и миелопероксидаза, которые производят токсичные производные кислорода и хлора для уничтожения патогенов в окислительный взрыв. Протеазы и антимикробные пептиды также попадают в фаголизосомы. Макрофаги не имеют гранул и больше полагаются на закисление фаголизосом, гликозидазы, и протеазы для переваривания микробов. [20] Фагосомы в дендритных клетках менее кислые и обладают гораздо более слабой гидролитической активностью из-за более низкой концентрации лизосомных протеаз и даже наличия ингибиторов протеаз.

Воспаление

Формирование фагосом связано с воспаление через общие сигнальные молекулы. Киназа PI-3 и PLC участвуют как в механизме интернализации, так и в запуске воспаления. [8] Эти два белка, наряду с Rho GTPases, являются важными компонентами врожденного иммунного ответа, вызывая цитокин производство и активация MAP киназа сигнальный каскад. Провоспалительные цитокины, включая ИЛ-1β, Ил-6, TNFα, и Ил-12 все производятся. [7]

Этот процесс жестко регулируется, а воспалительная реакция зависит от типа частицы внутри фагосомы. Апоптотические клетки, инфицированные патогеном, вызывают воспаление, но поврежденные клетки, которые деградируют как часть нормального тканевого обмена, не вызывают. Ответ также различается в зависимости от опсонин-опосредованного фагоцитоза. FcR и реакции, опосредованные рецептором маннозы, продуцируют провоспалительные активные формы кислорода и арахидоновая кислота молекул, но реакции, опосредованные CR, не приводят к этим продуктам. [7]

Презентация антигена

Незрелые дендритные клетки (ДК) могут фагоцитозировать, но зрелые ДК не могут из-за изменений в Rho GTPases, участвующих в ремоделировании цитоскелета. [20] Фагосомы ДК менее гидролитичны и кислые, чем фагосомы макрофагов и нейтрофилов, поскольку ДК в основном участвуют в презентация антигена а не деградация патогенов. Они должны удерживать фрагменты белка подходящего размера для специфического распознавания бактериями, поэтому пептиды разлагаются лишь частично. [20] Пептиды из бактерий попадают в Главный комплекс гистосовместимости (MHC). Пептидные антигены представлены лимфоциты, где они привязаны к Рецепторы Т-клеток и активирует Т-клетки, преодолевая разрыв между врожденным и адаптивным иммунитетом. [8] Это характерно для млекопитающие, птицы, и челюстная рыба, как насекомые не обладают адаптивным иммунитетом. [22]

Питательный

Древние одноклеточные организмы, такие как амеба использовать фагоцитоз как способ приобретения питательных веществ, а не как иммунную стратегию. Они поглощают другие более мелкие микробы и переваривают их внутри фагосомы со скоростью около одной бактерии в минуту, что намного быстрее, чем профессиональные фагоциты. [23] Для почвенной амебы Dictyostelium discoideum, их основной источник пищи - бактерии Легионелла пневмофила, что приводит к болезнь легионеров в людях. [24] Созревание фагосом у амебы очень похоже на созревание макрофагов, поэтому они используются в качестве модельного организма для изучения этого процесса. [15]

Очистка тканей

Фагосомы разрушают стареющие клетки и апоптотические клетки для поддержания тканевого гомеостаза. Эритроциты имеют одну из самых высоких скоростей оборота в организме, и они фагоцитируются макрофагами в печень и селезенка. в эмбрион, процесс удаления мертвых клеток недостаточно изучен, но он не выполняется макрофагами или другими клетками, происходящими из гемопоэтические стволовые клетки. [25] Только у взрослого человека апоптотические клетки фагоцитируются профессиональными фагоцитами. Воспаление вызывается только определенными возбудитель- или же молекулярные паттерны, связанные с повреждениями (PAMPs или DAMPs) удаление стареющих клеток не вызывает воспаления. [13]

Аутофагосома

Аутофагосомы отличаются от фагосом тем, что они в основном используются для избирательной деградации поврежденных цитозольных органелл, таких как митохондрии (митофагия). Однако, когда клетка голодает или испытывает стресс, аутофагосомы также могут неизбирательно разрушать органеллы, чтобы обеспечить клетку аминокислотами и другими питательными веществами. [26] Аутофагия не ограничивается профессиональными фагоцитами, она впервые обнаружена у крыс. гепатоциты от клеточного биолога Кристиан де Дюв. [27] Аутофагосомы имеют двойную мембрану, внутреннюю из охваченной органеллы, а внешняя мембрана предположительно образована из эндоплазматический ретикулум или Промежуточное отделение ЭР-Гольджи (ERGIC). [28] Аутофагосома также сливается с лизосомами для разрушения своего содержимого. Когда М. туберкулез подавляют закисление фагосом, Интерферон гамма может вызвать аутофагию и спасти процесс созревания. [29]

Бактериальное уклонение и манипуляции

Многие бактерии эволюционировали, чтобы уклониться от бактерицидных свойств фагосом или даже использовать фагоцитоз в качестве стратегии инвазии.

Фагоцитоз является важнейшим механизмом защиты от инфекции. Фагоциты связывают, захватывают и уничтожают бактерии во фагосомах. Stuart et al идентифицировали свыше 600 фагосомальных белков Drosophila и описали некоторые из механизмов взаимодействия белковых комплексов.

При том, что в целом механизм фагоцитоза давно изучен и описан, многие его детали остаются неясны. Кроме того, некоторые бактерии выработали стратегию, позволяющую им избежать уничтожения, поэтому любая информация, описывающая и детализирующая механизмы фагоцитоза важна для понимания взаимоотношений возбудитель-хозяин, и для разработки подходов в профилактике и лечении инфекционных заболеваний.

В результате работы Stuart et al была создана модель фагосомы и механизм захвата бактерии с участием фагосомальных белковых комплексов.

Код вставки на сайт

Читайте также: