Лизосомы: структура, функции и роль в заболеваниях.

Введение

Лизосома (англ. lysosome) — одномембранная органелла, встречающаяся во многих клетках животных. Это сферические везикулы, содержащие гидролитические ферменты, расщепляющие различные виды биомолекул. Лизосома обладает специфическим составом как мембранных, так и просветных белков. pH просвета (~4,5–5,0) оптимален для ферментов, участвующих в гидролизе, подобно активности желудка. Помимо деградации полимеров, лизосома вовлечена в клеточные процессы секреции, восстановления плазматической мембраны, апоптоза, клеточной сигнализации и энергетического метаболизма. Лизосомы — это деградативные органеллы, выполняющие функцию системы утилизации отходов клетки, переваривая использованные материалы в цитоплазме как изнутри, так и снаружи клетки. Материал извне клетки поступает посредством эндоцитоза, а материал изнутри клетки переваривается посредством аутофагии. Они были открыты и названы бельгийским биологом Кристианом де Дюве, который впоследствии получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1974 году. Лизосомы содержат более 60 различных ферментов и более 50 мембранных белков. Ферменты лизосом синтезируются в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме и экспортируются в аппарат Гольджи после рекрутирования комплексом, состоящим из белков CLN6 и CLN8. Ферменты транспортируются из аппарата Гольджи в лизосомы в небольших везикулах, которые сливаются с более крупными кислыми везикулами. Ферменты, предназначенные для лизосомы, маркируются молекулой маннозы-6-фосфата, что обеспечивает их правильную сортировку в подкисленные везикулы. В 2009 году Марко Сардиелло и его коллеги обнаружили, что синтез большинства лизосомных ферментов и мембранных белков контролируется фактором транскрипции EB (TFEB), который стимулирует транскрипцию ядерных генов. Мутации в генах этих ферментов ответственны за более чем 50 различных генетических заболеваний человека, известных как лизосомные болезни накопления. Эти заболевания приводят к накоплению специфических субстратов из-за неспособности к их расщеплению. Эти генетические дефекты связаны с рядом нейродегенеративных расстройств, раком, сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями, связанными со старением.

Cell membrane organelle

A lysosome ('/l//aɪ//s//ə/,/s//oʊ//m/) is a single membrane bound organelle found in many animal cells. They are spherical vesicles that contain hydrolytic enzymes that digest many kinds of biomolecules. A lysosome has a specific composition, of both its membrane proteins and its lumenal proteins. The lumen's pH (~4.5–5.0) is optimal for the enzymes involved in hydrolysis, analogous to the activity of the stomach. Besides degradation of polymers, the lysosome is involved in cell processes of secretion, plasma membrane repair, apoptosis, cell signaling, and energy metabolism. Lysosomes are degradative organelles that act as the waste disposal system of the cell by digesting used materials in the cytoplasm, from both inside and outside the cell. Material from outside the cell is taken up through endocytosis, while material from the inside of the cell is digested through autophagy. They were discovered and named by Belgian biologist Christian de Duve, who eventually received the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1974. Lysosomes contain more than 60 different enzymes, and have more than 50 membrane proteins. Enzymes of the lysosomes are synthesized in the rough endoplasmic reticulum and exported to the Golgi apparatus upon recruitment by a complex composed of CLN6 and CLN8 proteins. The enzymes are transported from the Golgi apparatus to lysosomes in small vesicles, which fuse with larger acidic vesicles. Enzymes destined for a lysosome are tagged with the molecule mannose 6 phosphate, so that they are properly sorted into acidified vesicles. In 2009, Marco Sardiello and co workers discovered that the synthesis of most lysosomal enzymes and membrane proteins is controlled by transcription factor EB (TFEB), which promotes the transcription of nuclear genes. Mutations in the genes for these enzymes are responsible for more than 50 different human genetic disorders collectively known as lysosomal storage diseases. These diseases result in an accumulation of specific substrates, due to the inability to break them down. These genetic defects are related to several neurodegenerative disorders, cancers, cardiovascular diseases, and aging related diseases.

Этимология и произношение

Слово лизосома ('/l//aɪ//s//oʊ//s//oʊ//m/, '/l//aɪ//z//ə//z//oʊ//m/') является неолатинским и образовано из соединительных форм *лизо* (отсылающей к лизису и происходящей от латинского *lysis*, означающего "разрушение", через древнегреческое λύσις [lúsis]), и *сома*, от *soma* – "тело", что дает "тело, осуществляющее лизис" или "разрушающее тело". Прилагательная форма – лизосомный. Формы *lyosome* и *lyosomal* встречаются значительно реже; они используют форму *lyo* префикса, но часто воспринимаются читателями и редакторами как бессмысленное повторение опечаток, что во многих случаях и является правдой.

Открытие

Кристиан де Дюве из Лаборатории физиологической химии Католического университета Лувена в Бельгии изучал механизм действия инсулина в клетках печени. К 1949 году он и его команда сосредоточились на ферменте под названием глюкозо-6-фосфатаза, который является первым ключевым ферментом в метаболизме сахара и мишенью инсулина. Они уже подозревали, что этот фермент играет ключевую роль в регулировании уровня глюкозы в крови. Однако, даже после серии экспериментов, им не удалось очистить и изолировать фермент из клеточных экстрактов. Поэтому они прибегли к более трудоемкой процедуре фракционирования клеток, при которой клеточные компоненты разделяются на основе их размеров с помощью центрифугирования. Им удалось обнаружить активность фермента в микросомальной фракции. Это был решающий шаг в случайном открытии лизосом. Для оценки активности фермента они использовали активность стандартизированного фермента – кислой фосфатазы – и обнаружили, что она составляла всего 10% от ожидаемой величины. Однажды измерили ферментную активность очищенных клеточных фракций, которые хранились в холодильнике в течение пяти дней. К удивлению, активность фермента возросла до нормального уровня, наблюдаемого в свежей пробе. Результат оставался неизменным при повторных измерениях, что привело к выводу о том, что барьер, подобный мембране, ограничивал доступность фермента к его субстрату, и ферменты могли диффундировать в течение нескольких дней (и реагировать со своим субстратом). Они описали этот барьер, подобный мембране, как "структуру, похожую на мешок, окруженную мембраной и содержащую кислую фосфатазу". Стало ясно, что этот фермент из клеточной фракции происходил из мембранных фракций, которые, несомненно, являлись клеточными органеллами, и в 1955 году де Дюве назвал их "лизосомами", чтобы отразить их пищеварительные свойства. В том же году Алекс Б. Новиков из Университета Вермонта посетил лабораторию де Дюва и успешно получил первые электронные микрофотографии новой органеллы. Используя метод окрашивания для кислой фосфатазы, де Дюве и Новиков подтвердили локализацию гидролитических ферментов лизосом с помощью световой и электронной микроскопии. Де Дюве получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1974 году за это открытие. Изначально де Дюве называл эти органеллы "пакетами самоубийства" или "мешочками самоубийства" клеток из-за их предполагаемой роли в апоптозе. Однако впоследствии было установлено, что они играют лишь незначительную роль в гибели клеток.

Christian de Duve, at the Laboratory of Physiological Chemistry at the Catholic University of Louvain in Belgium, had been studying the mechanism of action of insulin in liver cells. By 1949, he and his team had focused on the enzyme called glucose 6 phosphatase, which is the first crucial enzyme in sugar metabolism and the target of insulin. They already suspected that this enzyme played a key role in regulating blood sugar levels. However, even after a series of experiments, they failed to purify and isolate the enzyme from the cellular extracts. Therefore, they tried a more arduous procedure of cell fractionation, by which cellular components are separated based on their sizes using centrifugation. They succeeded in detecting the enzyme activity from the microsomal fraction. This was the crucial step in the serendipitous discovery of lysosomes. To estimate this enzyme activity, they used that of the standardized enzyme acid phosphatase and found that the activity was only 10% of the expected value. One day, the enzyme activity of purified cell fractions which had been refrigerated for five days was measured. Surprisingly, the enzyme activity was increased to normal of that of the fresh sample. The result was the same no matter how many times they repeated the estimation, and led to the conclusion that a membrane like barrier limited the accessibility of the enzyme to its substrate, and that the enzymes were able to diffuse after a few days (and react with their substrate). They described this membrane like barrier as a "saclike structure surrounded by a membrane and containing acid phosphatase." It became clear that this enzyme from the cell fraction came from membranous fractions, which were definitely cell organelles, and in 1955 De Duve named them "lysosomes" to reflect their digestive properties. The same year, Alex B. Novikoff from the University of Vermont visited de Duve's laboratory, and successfully obtained the first electron micrographs of the new organelle. Using a staining method for acid phosphatase, de Duve and Novikoff confirmed the location of the hydrolytic enzymes of lysosomes using light and electron microscopic studies. de Duve won the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1974 for this discovery. Originally, De Duve had termed the organelles the "suicide bags" or "suicide sacs" of the cells, for their hypothesized role in apoptosis. However, it has since been concluded that they only play a minor role in cell death.

Функция и структура

Лизосомы содержат разнообразные ферменты, позволяющие клетке расщеплять различные биомолекулы, которые она захватывает, включая пептиды, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды (лизосомальная липаза). Ферменты, ответственные за этот гидролиз, требуют кислой среды для оптимальной активности. Помимо способности расщеплять полимеры, лизосомы способны сливаться с другими органеллами и переваривать крупные структуры или клеточный детрит; благодаря сотрудничеству с фагосомами они способны осуществлять аутофагию, удаляя поврежденные структуры. Аналогичным образом, они способны разрушать вирусные частицы или бактерии при фагоцитозе макрофагами. Размер лизосом варьируется от 0,1 мкм до 1,2 мкм. При pH от ~4,5–5,0 внутренняя среда лизосом кислая по сравнению со слегка щелочным цитозолем (pH 7,2). Лизосомная мембрана защищает цитозоль, а следовательно, и остальную часть клетки, от деградативных ферментов, находящихся внутри лизосомы. Клетка дополнительно защищена от любых лизосомных кислотных гидролаз, попадающих в цитозоль, поскольку эти ферменты чувствительны к pH и не функционируют должным образом или вообще не функционируют в щелочной среде цитозоля. Это гарантирует, что молекулы и органеллы цитозоля не будут разрушены в случае утечки гидролитических ферментов из лизосомы. Лизосома поддерживает разницу pH, перекачивая протоны (ионы H+) из цитозоля через мембрану с помощью протонных насосов и хлоридных каналов. Вакуолярные АТФазы отвечают за транспорт протонов, а контртранспорт ионов хлорида осуществляется антипортером ClC-7 Cl−/H+. Таким образом поддерживается стабильная кислая среда. Лизосома обеспечивает свою универсальную способность к деградации за счет импорта ферментов, обладающих специфичностью к различным субстратам; катепсины являются основным классом гидролитических ферментов, в то время как лизосомальная альфа-глюкозидаза отвечает за расщепление углеводов, а лизосомальная кислая фосфатаза необходима для высвобождения фосфатных групп фосфолипидов. Недавние исследования также указывают на то, что лизосомы могут служить источником внутриклеточного кальция.

Lysosomes contain a variety of enzymes, enabling the cell to break down various biomolecules it engulfs, including peptides, nucleic acids, carbohydrates, and lipids (lysosomal lipase). The enzymes responsible for this hydrolysis require an acidic environment for optimal activity. In addition to being able to break down polymers, lysosomes are capable of fusing with other organelles & digesting large structures or cellular debris; through cooperation with phagosomes, they are able to conduct autophagy, clearing out damaged structures. Similarly, they are able to break down virus particles or bacteria in phagocytosis of macrophages. The size of lysosomes varies from 0.1 μm to 1.2 μm. With a pH ranging from ~4.5–5.0, the interior of the lysosomes is acidic compared to the slightly basic cytosol (pH 7.2). The lysosomal membrane protects the cytosol, and therefore the rest of the cell, from the degradative enzymes within the lysosome. The cell is additionally protected from any lysosomal acid hydrolases that drain into the cytosol, as these enzymes are pH sensitive and do not function well or at all in the alkaline environment of the cytosol. This ensures that cytosolic molecules and organelles are not destroyed in case there is leakage of the hydrolytic enzymes from the lysosome. The lysosome maintains its pH differential by pumping in protons (H+ ions) from the cytosol across the membrane via proton pumps and chloride ion channels. Vacuolar ATPases are responsible for transport of protons, while the counter transport of chloride ions is performed by ClC 7 Cl−/H+ antiporter. In this way a steady acidic environment is maintained. It sources its versatile capacity for degradation by import of enzymes with specificity for different substrates; cathepsins are the major class of hydrolytic enzymes, while lysosomal alpha glucosidase is responsible for carbohydrates, and lysosomal acid phosphatase is necessary to release phosphate groups of phospholipids. Recent research also indicates that lysosomes can act as a source of intracellular calcium.

Формирование

Многие компоненты клеток животных перерабатываются путем переноса их внутрь или включения в мембранные структуры. Например, при эндоцитозе (в частности, макропиноцитозе) часть плазматической мембраны клетки отпочковывается, формируя везикулы, которые в конечном итоге сливаются с органеллой внутри клетки. Без активного восполнения плазматическая мембрана будет непрерывно уменьшаться в размерах. Считается, что лизосомы участвуют в этой динамической системе обмена мембранами и формируются в результате постепенного созревания из эндосом. Производство лизосомных белков является одним из механизмов поддержания лизосом. Гены лизосомных белков транскрибируются в ядре в процессе, контролируемом транскрипционным фактором EB (TFEB). Покинув аппарат Гольджи, везикула, наполненная лизосомными ферментами, сливается с поздней эндосомой – относительно кислой органеллой с pH около 5,5. Эта кислая среда вызывает диссоциацию лизосомных ферментов от рецепторов маннозы-6-фосфата. Ферменты упаковываются в везикулы для дальнейшей транспортировки в сформированные лизосомы. Кроме того, токсины AB5, такие как холерный токсин, используют эндосомный путь, избегая лизосомной деградации. Не существует прямого лекарственного лечения для лизосомных болезней накопления (ЛБН). Наиболее распространенной ЛБН является болезнь Гоше, которая обусловлена дефицитом фермента глюкоцереброзидазы. В результате накапливается субстрат этого фермента – жирная кислота глюкозилцерамид, особенно в лейкоцитах, что, в свою очередь, поражает селезенку, печень, почки, легкие, мозг и костный мозг. Для болезни характерны кровоподтеки, усталость, анемия, тромбоцитопения, остеопороз и увеличение печени и селезенки. По состоянию на 2017 год, ферментная заместительная терапия доступна для лечения 8 из 50–60 известных ЛБН. Наиболее тяжелой и редкой лизосомной болезнью накопления является болезнь включений. Метахроматическая лейкодистрофия – еще одна ЛБН, которая также влияет на метаболизм сфинголипидов. Нарушение функции лизосом также тесно связано с биологией старения и возрастными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и сердечно-сосудистые заболевания.

Many components of animal cells are recycled by transferring them inside or embedded in sections of membrane. For instance, in endocytosis (more specifically, macropinocytosis), a portion of the cell's plasma membrane pinches off to form vesicles that will eventually fuse with an organelle within the cell. Without active replenishment, the plasma membrane would continuously decrease in size. It is thought that lysosomes participate in this dynamic membrane exchange system and are formed by a gradual maturation process from endosomes. The production of lysosomal proteins suggests one method of lysosome sustainment. Lysosomal protein genes are transcribed in the nucleus in a process that is controlled by transcription factor EB (TFEB). Upon leaving the Golgi apparatus, the lysosomal enzyme filled vesicle fuses with a late endosome, a relatively acidic organelle with an approximate pH of 5.5. This acidic environment causes dissociation of the lysosomal enzymes from the mannose 6 phosphate receptors. The enzymes are packed into vesicles for further transport to established lysosomes. In addition, AB5 toxins such as cholera hijack the endosomal pathway while evading lysosomal degradation. There is no direct medical treatment to cure LSDs. The most common LSD is Gaucher's disease, which is due to deficiency of the enzyme glucocerebrosidase. Consequently, the enzyme substrate, the fatty acid glucosylceramide accumulates, particularly in white blood cells, which in turn affects spleen, liver, kidneys, lungs, brain and bone marrow. The disease is characterized by bruises, fatigue, anaemia, low blood platelets, osteoporosis, and enlargement of the liver and spleen. As of 2017, enzyme replacement therapy is available for treating 8 of the 50 60 known LDs. The most severe and rarely found, lysosomal storage disease is inclusion cell disease. Metachromatic leukodystrophy is another lysosomal storage disease that also affects sphingolipid metabolism. Dysfunctional lysosome activity is also heavily implicated in the biology of aging, and age related diseases such as Alzheimer's, Parkinson's, and cardiovascular disease.

Различные ферменты, присутствующие в лизосомах

№ по ср.NoEnzymesSubstrate 1ФосфатыA Кислая фосфатазаБольшинство фосфомоноэстеров B Кислая фосфодиэстеразаОлигонуклеотиды и фосфодиэстеразы2Нуклеазы A Кислая рибонуклеаза РНКB Кислая дезоксирибонуклеаза ДНК3Полисахариды/мукополисахаридыГидролизующие ферментыA β-ГалактозидазаГалактозидыB α-ГлюкозидазаГликогенC α-МанносидазаМаннозиды, гликопротеиныD β-ГлюкуронидазаПолисахариды и мукополисахаридыE ЛизоцимБактериальные клеточные стенки и мукополисахаридыF ГиалуронидазаГиалуроновая кислота, хондроитинсульфатыH АрилсульфатазаОрганические сульфаты4ПротеазыA Катепсин(ы)БелкиB КоллагеназаКоллагенC ПептидазаПептиды5Липид-разрушающие ферменты A ЭстеразаЖирные ацилэфирыB ФосфолипазаФосфолипиды6СульфатазыA Арилсульфатаза (A, B & G)O- и N-сульфатные эфирыB Глюкозамин (N-ацетил) 6-сульфатаза/GNSГликозаминогликаныC Идуронат 2-сульфатаза/IDS O- и N-сульфатные эфиры

Лизосомотропизм

Слабые основания с липофильными свойствами накапливаются в кислотных внутриклеточных компартментах, таких как лизосомы. В то время как плазматические и лизосомные мембраны проницаемы для нейтральных и незаряженных форм слабых оснований, заряженные протонированные формы слабых оснований не проникают через биомембраны и накапливаются внутри лизосом. Концентрация в лизосомах может достигать уровней в 100–1000 раз превышающих внеклеточные концентрации. Это явление называется лизосомотропизмом, "кислотным захватом" или "протонным насосным" эффектом. Количество накопления лизосомотропных соединений можно оценить с помощью клеточной математической модели. Значительная часть клинически одобренных лекарственных средств – липофильные слабые основания с лизосомотропными свойствами. Это объясняет ряд фармакологических свойств этих препаратов, таких как высокие градиенты концентрации между тканями и кровью или длительный период полувыведения из тканей; эти свойства были выявлены для таких препаратов, как галоперидол, левомепромазин и амантадин. Однако высокие концентрации в тканях и длительный период полувыведения также объясняются липофильностью и абсорбцией лекарственных средств в жировой ткани. Важные лизосомные ферменты, такие как кислая сфингомиелиназа, могут быть ингибированы лекарственными средствами, накапливающимися в лизосомах. Такие соединения называются FIASMAs (функциональные ингибиторы кислой сфингомиелиназы) и включают, например, флуоксетин, сертралин или амитриптилин. Амброксол – лизосомотропный препарат, используемый в клинической практике для лечения состояний, сопровождающихся продуктивным кашлем, благодаря его муколитическому действию. Амброксол вызывает экзоцитоз лизосом посредством нейтрализации pH лизосом и высвобождения кальция из кислых кальциевых депо. Вероятно, по этой причине было обнаружено, что амброксол улучшает клеточную функцию при некоторых заболеваниях лизосомного происхождения, таких как болезнь Паркинсона или лизосомные болезни накопления.

Системная красная волчанка

Нарушение функции лизосом ярко выражено при системной красной волчанке, препятствуя разрушению внеклеточных ловушек нейтрофилов и иммунных комплексов макрофагами и моноцитами. Неспособность к деградации интернализированных иммунных комплексов связана с хронической активностью mTORC2, которая нарушает закисление лизосом. В результате иммунные комплексы, находящиеся в лизосомах, возвращаются на поверхность макрофагов, вызывая накопление ядерных антигенов, что предшествует развитию множественных патологий, ассоциированных с волчанкой.

Споры в ботанике

Согласно научной конвенции, термин «лизосома» применяется к этим везикулярным органеллам только у животных, а термин «вакуоль» – к растениям, грибам и водорослям (некоторые клетки животных также имеют вакуоли). Начиная с 1970-х годов, открытия в растительных клетках стали ставить под сомнение это определение. Оказалось, что растительные вакуоли гораздо более разнообразны по структуре и функциям, чем считалось ранее. Некоторые вакуоли содержат собственные гидролитические ферменты и выполняют классическую лизосомную функцию – аутофагию. Поэтому эти вакуоли рассматриваются как выполняющие роль животной лизосомы. Опираясь на описание де Дюве, согласно которому «термин «лизосома» описывает физиологическую единицу только тогда, когда она рассматривается как часть системы, непосредственно или косвенно участвующей во внутриклеточном пищеварении», некоторые ботаники настоятельно утверждали, что эти вакуоли и есть лизосомы. Однако это не является общепринятым, поскольку вакуоли не являются строго идентичными лизосомам, например, по специфике ферментов и отсутствию фагоцитарных функций. Вакуоли не проявляют катаболической активности и не подвергаются экзоцитозу, как лизосомы.