Липидные рафты: состав, структура и функции мембранных микродоменов.

Введение

Комбинации в мембранах клеток

Плазменные мембраны клеток содержат комбинации гликосфинголипидов, холестерина и белковых рецепторов, организованных в гликолипопротеиновые липидные микродомены, называемые липидными плотами. Их существование в клеточных мембранах остаётся предметом дискуссий. Действительно, Кервин и Овердуин предполагают, что липидные плоты – это ошибочно интерпретированные белковые острова, которые, по их мнению, формируются посредством протеолипидного кода. Тем не менее, было предложено, что они представляют собой специализированные мембранные микродомены, которые компартментируют клеточные процессы, служа центрами организации для сборки сигнальных молекул, обеспечивая более тесное взаимодействие белковых рецепторов и их эффекторов для стимулирования кинетически благоприятных взаимодействий, необходимых для трансдукции сигнала. Липидные плоты влияют на текучесть мембран и транспорт мембранных белков, тем самым регулируя нейротрансмиссию и транспорт рецепторов. Липидные плоты более упорядочены и плотно упакованы, чем окружающий бислой, но свободно перемещаются в пределах мембранного бислоя. Хотя липидные плоты чаще встречаются в клеточной мембране, они также были обнаружены в других частях клетки, таких как аппарат Гольджи и лизосомы.

Свойства

Одно из ключевых различий между липидными плотами и плазматическими мембранами, из которых они происходят, заключается в липидном составе. Исследования показали, что липидные плоты содержат в 3-5 раз больше холестерина, чем окружающий бислой. Кроме того, липидные плоты обогащены сфинголипидами, такими как сфингомиелин, концентрация которого обычно на 50% выше по сравнению с плазматической мембраной. Для компенсации повышенного уровня сфинголипидов снижается уровень фосфатидилхолина, что приводит к сопоставимому содержанию липидов, содержащих холин, как в плотах, так и в окружающей плазматической мембране. Холестерин взаимодействует преимущественно, хотя и не исключительно, со сфинголипидами благодаря их структуре и насыщенности углеводородных цепей. Хотя не все фосфолипиды в составе плота полностью насыщены, гидрофобные цепи липидов, входящих в плоты, более насыщены и плотно упакованы, чем в окружающем бислое. На рисунке справа показана перевернутая конусообразная форма сфингомиелина и конусообразная форма холестерина, основанная на площади пространства, занимаемой гидрофобными и гидрофильными областями. Холестерин может располагаться между липидами в плотах, выступая в качестве молекулярного спейсера и заполняя пустоты между ассоциированными сфинголипидами. Причина этой несмешиваемости неясна, но предполагается, что она минимизирует свободную энергию между двумя фазами. Исследования показали, что толщина липидных плотов и окружающей мембраны различается, что приводит к гидрофобному несовпадению на границе между двумя фазами. Это несовпадение высоты фаз увеличивает поверхностное натяжение, что может привести к образованию более крупных и округлых плотных платформ для минимизации энергетических затрат на поддержание плотов в качестве отдельной фазы. Другие спонтанные события, такие как искривление мембраны и слияние небольших плотов в более крупные, также могут снижать поверхностное натяжение. Была высказана гипотеза, что липидные плоты могут быть извлечены из плазматической мембраны. Экстракция будет использовать устойчивость липидных плотов к неионным детергентам, таким как Triton X 100 или Brij 98 при низких температурах (например, 4 °C). При добавлении такого детергента в клетки жидкая мембрана растворяется, в то время как липидные плоты могут оставаться неповрежденными и могут быть извлечены. Благодаря своему составу и устойчивости к детергентам липидные плоты также называют комплексами, обогащенными гликолипидами, нерастворимыми в детергентах (GEMs) или DIGs, или детергентоустойчивыми мембранами (DRMs). Однако в последнее время обоснованность методологии определения устойчивости мембран к детергентам была поставлена под сомнение из-за неоднозначности в отношении выделенных липидов и белков и наблюдения, что они также могут вызывать образование твердых областей, где их ранее не было.

One key difference between lipid rafts and the plasma membranes from which they are derived is lipid composition. Research has shown that lipid rafts contain 3 to 5 fold the amount of cholesterol found in the surrounding bilayer. Also, lipid rafts are enriched in sphingolipids such as sphingomyelin, which is typically elevated by 50% compared to the plasma membrane. To offset the elevated sphingolipid levels, phosphatidylcholine levels are decreased which results in similar choline containing lipid levels between the rafts and the surrounding plasma membrane. Cholesterol interacts preferentially, although not exclusively, with sphingolipids due to their structure and the saturation of the hydrocarbon chains. Although not all of the phospholipids within the raft are fully saturated, the hydrophobic chains of the lipids contained in the rafts are more saturated and tightly packed than the surrounding bilayer. The figure to the right shows the inverted cone like shape of sphingomyelin and the cone like shape of cholesterol based on the area of space occupied by the hydrophobic and hydrophilic regions. Cholesterol can pack in between the lipids in rafts, serving as a molecular spacer and filling any voids between associated sphingolipids. The cause of this immiscibility is uncertain, but the immiscibility is thought to minimize the free energy between the two phases. Studies have shown there is a difference in thickness of the lipid rafts and the surrounding membrane which results in hydrophobic mismatch at the boundary between the two phases. This phase height mismatch has been shown to increase line tension which may lead to the formation of larger and more circular raft platforms to minimize the energetic cost of maintaining the rafts as a separate phase. Other spontaneous events, such as curvature of the membrane and fusing of small rafts into larger rafts, can also minimize line tension. have hypothesized that the lipid rafts can be extracted from a plasma membrane. The extraction would take advantage of lipid raft resistance to non ionic detergents, such as Triton X 100 or Brij 98 at low temperatures (e. g., 4 °C). When such a detergent is added to cells, the fluid membrane will dissolve while the lipid rafts may remain intact and could be extracted. Because of their composition and detergent resistance, lipid rafts are also called detergent insoluble glycolipid enriched complexes (GEMs) or DIGs or Detergent Resistant Membranes (DRMs). However the validity of the detergent resistance methodology of membranes has recently been called into question due to ambiguities in the lipids and proteins recovered and the observation that they can also cause solid areas to form where there were none previously.

Функция

Медиация представления субстрата. Липидные плоты локализуют пальмитоилированные белки вдали от неупорядоченной области плазматической мембраны. Нарушение локализации, опосредованной пальмитатом, приводит к тому, что белок становится доступен для своего связывающего партнера или субстрата в неупорядоченной области – этот механизм активации называется представлением субстрата. Например, белок часто пальмитоилируется и связывается с фосфатидилинозитол 4,5-бифосфатом (PIP2). PIP2 является полиненасыщенным и не находится в липидных плотах. При увеличении уровня PIP2 в плазматической мембране белок перемещается в кластеры PIP2, где он может быть активирован непосредственно PIP2 (или другой молекулой, ассоциированной с PIP2). Вероятно, существуют и другие функции.

Роль в передаче сигнала

Специфичность и точность передачи сигналов необходимы для эффективного реагирования клеток на изменения в окружающей среде. Это достигается, в частности, за счет дифференциальной локализации белков, участвующих в сигнальных путях. В плазматической мембране одним из способов компартментализации является использование липидных плотов. Разумно рассматривать липидные плоты как небольшие платформы, которые формируются и концентрируют компоненты после активации связыванием лиганда для отдельных рецепторов. Исследования показали, что липидные плоты вовлечены во многие процессы передачи сигналов, такие как сигнализация иммуноглобулина E, сигнализация Т-клеточного антигенного рецептора, сигнализация В-клеточного антигенного рецептора, сигнализация рецептора эпидермального фактора роста (EGF), сигнализация рецептора инсулина и так далее. Для иллюстрации этих принципов ниже приведены подробные примеры сигнальных путей, в которых участвуют липидные плоты.

Сигнализация иммуноглобулина Е

Иммуноглобулин Е (IgE) является первым убедительно продемонстрированным сигнальным процессом, связанным с липидными плотами. Доказательствами этого служат снижение растворимости Fc-эпсилонных рецепторов (FcεR) в Triton X 100 при переходе из стабильного состояния в состояние перекрестной сшивки, блокирование сигнализации IgE при истощении поверхностного холестерина с помощью метил-β-циклодекстрина и так далее. Этот сигнальный путь можно описать следующим образом: IgE сначала связывается с Fc-эпсилонными рецепторами (FcεR), расположенными в плазменной мембране тучных клеток и базофилов, через свой Fc-фрагмент. FcεR представляет собой тетрамер, состоящий из одной α-, одной β- и двух γ-цепей.

Сигнализация рецептора антигена Т-клеток

Рецептор антигена Т-клеток (TCR) – это молекула, обнаруженная на поверхности Т-лимфоцитов (Т-клеток). Он состоит из αβ-гетеродимеров, комплекса CD3 (γδε) и ξ-гомодимера. α и β субъединицы содержат внеклеточные участки связывания пептидов, которые представляются белками главного комплекса гистосовместимости (MHC) I и II класса на поверхности клеток, представляющих антиген (APC). CD3 и ξ субъединицы содержат цитоплазматические ITAM-мотивы. В процессе передачи сигнала, связывание MHC с TCR приводит к объединению двух или более рецепторов. Эта перекрестная связь, подобная сигнализации IgE, затем рекрутирует дуально ацилированные нерецепторные Src-подобные тирозинкиназы для фосфорилирования тирозиновых остатков ITAM. Помимо рекрутирования Lyn, TCR сигнализация также рекрутирует Fyn. После этого ZAP 70 (который также отличается от сигнализации IgE) связывается с фосфорилированными ITAM, что приводит к его собственной активации и активации LAT. Активация LAT является источником усиления сигнала. Другое отличие между сигнализацией рецепторов антигенов IgE и Т-клеток заключается в том, что активация Lck TCR может приводить к более выраженному кластерированию липидных плотов, что усиливает сигнал. Один из возможных механизмов подавления этой сигнализации включает связывание цитозольной киназы Csk с белком CBP, ассоциированным с липидными плотами. Csk может затем подавлять киназы семейства Src посредством фосфорилирования.

Сигнализация рецепторов антигена В-клеток

B-клеточный антигенный рецептор (BCR) представляет собой комплекс между мембранно-связанной молекулой Ig (mIg) и дисульфид-связанным IgαIgβ гетеродимером двух полипептидов. Igα и Igβ содержат аминокислотный мотив, называемый ITAM, последовательность которого D/ExxYxxL/Ix7YxxL/I. Процесс сигнализации B-клеточного антигенного рецептора аналогичен сигнализации иммуноглобулина E и сигнализации T-клеточного антигенного рецептора. Обычно считается, что помимо BCR, липидные плоты играют важную роль во многих клеточных поверхностных событиях, связанных с активацией B-клеток. Их функции включают сигнализацию через BCR, модуляцию этой сигнализации корецепторами, сигнализацию через CD40, эндоцитоз антигена, связанного с BCR, и его транспортировку в поздние эндосомы для облегчения загрузки пептидов, полученных из антигена, на молекулы MHC класса II, транспортировку этих пептид/MHC II комплексов на клеточную поверхность и их участие в представлении антигена T-клеткам. SV40 использует два различных рецептора для связывания с клеточной поверхностью: ганглиозид GM1, расположенный в липидных плотах, и молекулу главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I. EV1 использует α2β1 интеграин в качестве клеточного рецептора. Вирус лимфотропный T-клеток человека I типа (HTLV 1) проникает в клетки через транспортер глюкозы 1 (GLUT 1). Вирусы Эбола и Марбург используют фолатный рецептор α (FRα), который является GPI-якорным белком, в качестве клеточного рецептора. Вирус гепатита B распознает рецептор комплемента человека типа 2 (CR2, также известный как CD21). Герпесвирус человека 6 типа (HHV 6) связывается с человеческим CD46 на поверхности клетки-хозяина. Все эти вирусные рецепторы расположены в липидных плотах или перемещаются в липидные плоты после инфицирования. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), как вирус, передающийся половым путем, должен сначала проникнуть через барьер эпителиальных клеток, которые не экспрессируют CD4 и хемокиновые рецепторы, чтобы установить продуктивную инфекцию. Альтернативным рецептором для гликопротеина оболочки ВИЧ-1 на эпителиальных клетках является гликосфинголипид галактозилцерамид (GalCer), который обогащается в липидных плотах.

SARS-CoV-2

Вирус SARS-CoV-2, вызывающий COVID-19, продемонстрировал способность проникать в клетки посредством эндоцитоза, используя липидные плоты. Омикронный вариант преимущественно проникает в клетки через эндоцитоз, вероятно, также через липидные плоты. Гидроксихлорохин блокирует проникновение SARS-CoV-2, препятствуя ассоциации ACE2 с энодоцитарными липидами.