Введение
В клеточной биологии фагосома – это везикула, формирующаяся вокруг частицы, захваченной фагоцитом посредством фагоцитоза. К профессиональным фагоцитам относятся макрофаги, нейтрофилы и дендритные клетки (ДЦ). Фагосома образуется в результате слияния клеточной мембраны вокруг микроорганизма, стареющей клетки или клетки, подвергшейся апоптозу. Фагосомы содержат мембранные белки, необходимые для рекрутирования и слияния с лизосомами, формируя зрелые фаголизосомы. Лизосомы содержат гидролитические ферменты и активные формы кислорода (АФК), которые уничтожают и переваривают патогены. Фагосомы могут также формироваться в непрофессиональных фагоцитах, однако они способны захватывать более ограниченный спектр частиц и не содержат АФК. Полезные вещества (например, аминокислоты) из переваренных частиц перемещаются в цитозоль, а отходы выводятся посредством экзоцитоза. Формирование фагосомы критически важно для поддержания гомеостаза тканей, а также для врожденного и адаптивного иммунного ответа хозяина на патогены. Тем не менее, некоторые бактерии могут использовать фагоцитоз как стратегию инвазии. Они либо размножаются внутри фаголизосомы (например, Coxiella spp.), либо проникают в цитоплазму до слияния фагосомы с лизосомой (например, Rickettsia spp.). Многие микобактерии, включая Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium avium paratuberculosis, способны манипулировать макрофагом-хозяином, предотвращая слияние лизосом с фагосомами и образование зрелых фаголизосом. Такое неполное созревание фагосомы поддерживает внутри нее благоприятную среду для патогенов.
Формирование
Фагосомы достаточно велики, чтобы разрушать целые бактерии или апоптотические и стареющие клетки, которые обычно имеют диаметр более 0,5 мкм. Это означает, что фагосома на несколько порядков величины больше эндосомы, размер которой измеряется в нанометрах. Фагосомы формируются, когда патогены или опсонины связываются с трансмембранным рецептором, который случайно распределен по поверхности фагоцита. При связывании "сигнализация извне внутрь" запускает полимеризацию актина и образование псевдоподий, которые окружают микроорганизм и сливаются за ним. Протеинкиназа С, фосфоинозитид-3-киназа и фосфолипаза С (ФЛК) необходимы для сигнализации и контроля интернализации частиц. Fc-рецепторы (FcR), рецепторы комплемента (CR), рецептор маннозы и дектин-1 являются фагоцитарными рецепторами, то есть они могут индуцировать фагоцитоз при экспрессии в нефагоцитарных клетках, таких как фибробласты. Другие белки, такие как Toll-подобные рецепторы, участвуют в распознавании патогенных паттернов и часто рекрутируются к фагосомам, но не запускают фагоцитоз в нефагоцитарных клетках, поэтому они не считаются фагоцитарными рецепторами.
Опсонизация
Опсонины – это молекулярные метки, такие как антитела и компоненты комплемента, которые присоединяются к патогенам и усиливают фагоцитоз. Иммуноглобулин G (IgG) является основным типом антител, присутствующим в сыворотке крови. Он является частью адаптивной иммунной системы, но связывает ее с врожденным иммунитетом, привлекая макрофаги к фагоцитозу патогенов. Антитело связывается с микроорганизмами посредством вариабельного Fab-домена, а Fc-домен связывается с Fc-рецепторами (FcR) для стимуляции фагоцитоза. Интернализация, опосредованная комплементом, вызывает значительно меньшие мембранные выросты, однако нисходящие сигнальные пути обоих механизмов сходятся для активации Rho GTPases. Они контролируют полимеризацию актина, необходимую для слияния фагосомы с эндосомами и лизосомами.
Нефагоцитарные клетки
Другие не профессиональные фагоциты проявляют некоторую степень фагоцитарной активности, например, эпителиальные клетки щитовидной железы и мочевого пузыря, способные захватывать эритроциты, и эпителиальные клетки сетчатки, которые поглощают стержни сетчатки.
Структура
Поскольку мембрана фагосомы формируется в результате слияния с плазматической мембраной, основной состав фосфолипидного бислоя остается прежним. Эндосомы и лизосомы затем сливаются с фагосомой, внося вклад в ее мембрану, особенно когда захваченная частица очень велика, например, паразит. Они также доставляют различные мембранные белки в фагосому и модифицируют структуру органеллы. Фагосомы способны захватывать искусственные латексные шарики низкой плотности, которые затем можно очистить с помощью градиента концентрации сахарозы, что позволяет изучить структуру и состав. Вакуолярные протонные насосы (V-АТФаза) доставляются в фагосому для подкисления ее содержимого, создавая более неблагоприятную среду для патогенов и облегчая деградацию белков. Бактериальные белки денатурируют в кислой среде и становятся более доступными для протеаз, которые нечувствительны к кислой среде. Ферменты затем рециркулируют из фаголизосомы перед выведением, чтобы избежать их потери. Состав фосфолипидной мембраны также изменяется по мере созревания фагосомы. Слияние может занимать от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от содержимого фагосомы; слияние, опосредованное FcR или маннозным рецептором, происходит менее чем за 30 минут, но фагосомам, содержащим латексные шарики, может потребоваться несколько часов для слияния с лизосомами. Мелкие люменальные молекулы переносятся при слиянии быстрее, чем крупные, что позволяет предположить, что между фагосомой и другими везикулами образуется небольшой водный канал во время процесса "поцелуй и бег", через который допускается лишь ограниченный обмен. Rab5 рекрутирует PI3-киназу и другие белки-якоря, такие как Vps34, к мембране фагосомы, что позволяет эндосомам доставлять белки в фагосому. Rab5 частично участвует в переходе к Rab7 через комплексы CORVET и HOPS у дрожжей. Rab11 участвует в рециркуляции мембран.
Деградация патогенов
Макрофаги и нейтрофилы — профессиональные фагоциты, отвечающие за большую часть деградации патогенов, но они используют различные бактерицидные механизмы. Нейтрофилы содержат гранулы, которые сливаются с фагосомой. Эти гранулы содержат NADPH-оксидазу и миелопероксидазу, которые производят токсичные производные кислорода и хлора для уничтожения патогенов в ходе окислительного всплеска. Протеазы и антимикробные пептиды также высвобождаются в фаголизосому. Макрофаги не имеют гранул и больше полагаются на подкисление фаголизосомы, гликозидазы и протеазы для переваривания микробов. Пептиды, полученные из бактерий, транспортируются к комплексу главного гистосовместимости (МГК). Пептидные антигены представляются лимфоцитам, где они связываются с Т-клеточными рецепторами и активируют Т-клетки, обеспечивая связь между врожденным и адаптивным иммунитетом. Это свойственно млекопитающим, птицам и челюстноротым рыбам, поскольку насекомые не обладают адаптивным иммунитетом.
Питательные вещества
Древние одноклеточные организмы, такие как амебы, используют фагоцитоз для получения питательных веществ, а не в качестве иммунной стратегии. Они захватывают другие, более мелкие микробы и переваривают их в фагосоме, поглощая примерно одну бактерию в минуту, что значительно быстрее, чем у профессиональных фагоцитов. Основным источником пищи для почвенной амебы Dictyostelium discoideum является бактерия Legionella pneumophila, вызывающая болезнь легионеров у человека. Созревание фагосомы у амеб очень похоже на то, что происходит в макрофагах, поэтому они используются как модельный организм для изучения этого процесса.
Клиренс тканей
Фагосомы разрушают стареющие клетки и апоптотические клетки для поддержания гомеостаза тканей. Эритроциты обладают одним из самых высоких уровней обновления в организме и фагоцитируются макрофагами в печени и селезенке. У эмбриона процесс удаления мертвых клеток изучен недостаточно, но он не осуществляется макрофагами или другими клетками, происходящими из гематопоэтических стволовых клеток. Только у взрослых апоптотические клетки фагоцитируются профессиональными фагоцитами. Воспаление запускается только определенными патоген-ассоциированными или повреждение-ассоциированными молекулярными паттернами (PAMP или DAMP), удаление стареющих клеток не вызывает воспаления. Автофагия не ограничивается профессиональными фагоцитами, она была впервые обнаружена клеточным биологом Кристианом де Дюве в гепатоцитах крысы. Автофагосомы имеют двойную мембрану: внутренняя происходит из захваченного органелла, а внешняя, как предполагается, формируется из эндоплазматической сети или ER-Гольджи промежуточного компартмента (ERGIC). Автофагосома также сливается с лизосомами для деградации своего содержимого. Когда M. tuberculosis ингибирует закисление фагосомы, интерферон гамма может индуцировать аутофагию и восстановить процесс созревания.
Бактериальные уклонения и манипуляции
Многие бактерии эволюционировали, чтобы уклоняться от бактерицидного действия фагосом или даже использовать фагоцитоз как стратегию инвазии. Mycobacterium tuberculosis атакует макрофаги M2 в нижних отделах дыхательных путей, которые не производят активные формы кислорода (ROS). M. tuberculosis также может манипулировать сигнальными путями, секретируя фосфатазы, такие как PtpA и SapM, которые нарушают рекрутинг белков и блокируют подкисление фагосомы. Legionella pneumophila способна реконструировать мембрану фагосомы, имитируя везикулы в других частях секреторного пути, в результате чего лизосомы не распознают фагосому и не сливаются с ней. Бактерия выделяет токсины, вмешивающиеся в транспортные процессы у хозяина, поэтому вакуоль, содержащая Legionella, рекрутирует мембранные белки, обычно встречающиеся в эндоплазматической сети или ERGIC. Это перенаправляет секреторные везикулы к модифицированной фагосоме, обеспечивая доставку питательных веществ бактерии. Listeria monocytogenes секретирует белок, формирующий поры – листериолизин O, что позволяет бактерии покинуть фагосому и проникнуть в цитозоль. Листериолизин активируется кислой средой фагосомы. Кроме того, Listeria секретирует два фермента фосфолипазы C, которые облегчают выход из фагосомы.