что такое везикулы в биологии
Везикулы
Везикула — в цитологии — это относительно маленькие внутриклеточные органоиды, мембрано-защищенные сумки, в которых запасают или транспортируют питательные вещества. Везикула отделена от цитозоля минимальным липидным слоем. Мембрана везикулы отгораживает ее от цитоплазмы схожим образом, как цитоплазматическая мембрана отгораживает клетку от внешней среды (порой агрессивной, с другим давлением, и пр.). Когда они отделены от цитоплазмы всего одним липидным слоем, везикулы называются однопластинчатыми. Так как везикула отгорожена от цитоплазмы, внутривезикулярные вещества могут быть совершенно иными, чем цитоплазматические. Везикула может присоединиться к внешней мембране, сплавиться с ней и выпустить свое содержимое в пространство вне клетки. Так может происходить процесс выделения. Везикула — это базисный инструмент клетки, обеспечивающий метаболизм и транспорт вещества, хранение ферментов также как настоящий химически инертный отсек. Также везикулы играют роль в поддержании плавучести клетки. [1] Некоторые везикулы способны образовываться из частей плазматической мембраны.
Содержание
Виды везикул
Транспортировка
Смотри также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Везикулы» в других словарях:
ВЕЗИКУЛЫ — Пузырьки в разветвлениях дыхательного горла и легких. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. везикулы (лат. vesicula) мед. 1) пузырьки на коже, сыпь; 2) образования в организме человека и животных, имеющие … Словарь иностранных слов русского языка
везикулы — образования в живой клетке, имеющие вид пузырьков различного размера, отграниченных от цитоплазмы мембраной. (Источник: «Микробиология: словарь терминов», Фирсов Н.Н., М: Дрофа, 2006 г.) … Словарь микробиологии
везикулы — вез икулы, ул, ед. ч. ула, ы … Русский орфографический словарь
ВЕЗИКУЛЫ — 1. Округлые вздутия мицелия гриба, проникающего в клетки корня высшего растения при образовании микоризы (напр., видов рода Endogone с земляникой, яблоней, томатами, салатом, пшеницей). 2. Вздутия и выпячивания на пыльцевых зернах. 3. Сферические … Словарь ботанических терминов
Химический синапс — Химический синапс особый тип межклеточного контакта между нейроном и клеткой мишенью. У данного типа синапса роль посредника (медиатора) передачи выполняет химическое вещество. Состоит из трёх основных частей: нервного окончания с… … Википедия
Экзоцитоз — в синапсе: передача сигнала от нейрона А к нейрону B. 1. Митохондрия 2. Синаптическая везикула с нейромедиатором 3. Ауторецептор 4. Синап … Википедия
Экзоцитозный пузырек — Экзоцитоз в синапсе: передача сигнала от нейрона А к нейрону B. 1. Митохондрия 2. Синаптическая везикула с нейромедиатором 3. Ауторецептор 4. Синапс с выделенным нейромедиатором. 5. Постсинаптический рецептор, активируемый нейромедиатором 6.… … Википедия
Везикула — Схема, показывающая цитоплазму, вместе с её компонентами (или органеллами), в типичной животной клетке. Органеллы: (1) Ядрышко (2) Ядро (3) … Википедия
Патологическая анатомия глоссита, хейлита и стоматита — Из воспалительных поражений тканей орофациальной области наиболее часто встречаются глоссит, хейлит и стоматит. Сочетанное поражение слизистой оболочки полости рта и кожи называется дерматостоматитом. Содержание 1 Типовые элементы поражения… … Википедия
Патологическая анатомия вирусных детских инфекций — Среди вирусных детских инфекций особое значение имеют корь, полиомиелит, эпидемический паротит, ветряная оспа и инфекционный мононуклеоз. Первые три относятся к РНК вирусным заболеваниям; ветряную оспу и инфекционный мононуклеоз вызывают ДНК… … Википедия
Везикула – определение, виды и функции
Определение пузырьков
Везикулы представляют собой отсеки, образованные липидный бислой отделяя его содержимое от цитоплазма или внеклеточная среда на основе жидкости. Они могут содержать жидкости или газы и выполнять широкий спектр функций в клетках по всему живому миру от регулирования плавучести до выделения гормонов.
Слово «пузырек» происходит от латинского слова vesicula, означающего «маленький пузырь», и может также относиться к пузырькам в теле или пузырькам газа в вулканических породах.
Примеры везикул
Везикулы находятся в бактерии, Archea и растения, а также у животных. В каждом клетка они имеют различную функцию, и одна и та же клетка может иметь разные типы пузырьков, участвующих в различных ролях
Вакуоли
Размер и количество вакуолей может варьироваться в зависимости от потребностей клетки. Животные вакуоли обычно являются частью более крупных движений внутри клетки, таких как экзоцитоз или эндоцитоз.
Сократительные вакуоли
Синаптические везикулы
Синаптические везикулы обнаруживаются на терминальном конце аксонов в нервных клетках (нейронах) и содержат нейротрансмиттеры – небольшие молекулы, участвующие в передаче электрохимических сигналов от одной клетки к другой. Эти структуры сливаются с плазматическая мембрана нейрона в ответ на быстрое изменение электрического мембранного потенциала. Это высвобождает нейротрансмиттеры в синаптическую щель, узкую область, разделяющую два нейрона. Нейротрансмиттеры затем связываются и активируют рецепторы в следующем или постсинаптическом нейроне, генерируя потенциал действия, который затем передается по длине этого нейрона.
Синаптические везикулы маленькие, около 40 нм в диаметре и содержат два типа белков на своих мембранах. Первыми являются протонные насосы, которые позволяют избирательно поглощать нейротрансмиттеры. Другая группа занимается транспортом везикул к мембране и рециркуляцией нейротрансмиттеров.
Типы везикул
Везикулы могут быть классифицированы на основе различных факторов, от функции до места и характера их груза. В зависимости от их функции они могут быть сгруппированы как лица, участвующие в транспортировке, пищеварении, защите, секреция или осморегуляция. Они также могут быть классифицированы как внутриклеточные или внеклеточные везикулы в зависимости от того, где они находятся. Наконец, хотя большинство из них содержат жидкости, некоторые микроорганизмы также используют газовые пузырьки для оптимизации фотосинтез и регулировать плавучесть.
Газовые пузырьки
Газовые пузырьки – это структуры, наблюдаемые в архее и во многих водных видах, которые, возможно, позволяют микробу подниматься или опускаться в толще воды, чтобы найти оптимальные условия для выживания и фотосинтеза. Газовый пузырь также позволяет клетке размещать фотосинтетические пигменты близко к поверхности клетки, около мембраны. Эти структуры необычны, потому что они образованы чисто мембраной на основе белка, которая не имеет липидного компонента. Тем не менее, эти белки чрезвычайно гидрофобный и поэтому может создавать барьер между содержимым цитоплазмы и секвестрированными газами.
Эти структуры, также известные как экзосомы, находятся в внеклеточной жидкости почти всех эукариот. Они участвуют в межклеточной передаче сигналов и содержат крупные биополимеры и иногда даже генетический материал. Фактически, они используются в сигнальных путях по всему живому миру, от бактерий, использующих экзосомы для передачи генетического материала млекопитающим, используя его для презентации антигена и созревания иммунных клеток. Они играют роль в росте и развитии клеток, а также в контролируемой гибели клеток, также известной как апоптоз, Экзосомы также имеют решающее значение для удаления цитоплазматических отходов и удаления белков плазматической мембраны.
Внутриклеточные везикулы, участвующие в пищеварении
Лизосомы представляют собой небольшие структуры, наблюдаемые в клетках животных, которые заполнены пищеварительными ферментами. Они могут сливаться с другими мембранными структурами, а комбинированный пузырь может действовать как пищеварительная органелла. Лизосомы могут сливаться с пищевыми вакуолями в одноклеточных организмах, таких как амеба, или в эндоцитарных пузырьках, содержащих патогены, которые поглощаются клетками иммунной системы.
лизосома содержит внушительный арсенал ферментов, которые действуют как гидролазы – они катализируют расщепление макромолекул за счет добавления воды. Эти ферменты работают при более низком pH, чем цитоплазма, и могут Hydrolyze нуклеиновые кислоты, белки, углеводы и липиды, которые все являются полимерами, образующимися в результате реакции дегидратации. Интересно, что сама лизосома защищена от своих собственных мощных ферментов, потому что большинство ее мембранных белков сильно гликозилированы с добавлением нескольких молекул сахара. В случае случайного разрыва лизосомы нейтральный рН цитоплазмы замедляет действие этих ферментов и защищает клетку от длительного повреждения.
Изображение показывает, что бактерии поглощаются амебой, которая затем переваривает ее и использует аминокислоты и простые углеводы для подпитки своей деятельности. Отработанный материал удаляется экзоцитозом, когда везикула сливается с клеточной мембраной.
На этом изображении фагоцитоз иммунной клеткой показано. Первоначально патоген распознается и поглощается, образуя структуру, называемую фагосомой. Лизосома сливается с фагосомой, а ферменты в лизосоме расщепляют микроб. Макрофаги – это выделенные фагоциты иммунной системы, которые могут поглощать и переваривать все – от клеточного дебриса и мелких патогенов до крупных раковых клеток с аномальными антигенами на их поверхности.
Внутриклеточные транспортные везикулы
Везикулы также участвуют в транспортировке материалов из одной части клетки в д��угую. Например, белки, синтезированные в шероховатой эндоплазматической сети избирательно отправляются в пузырьки, которые становятся частью обширной сети Гольджи.
Оказавшись внутри сети Гольджи, эти белки модифицируются и отправляются по назначению на основе сигналов в их аминокислотной последовательности. Некоторые гидролитические ферменты попадают в лизосому, тогда как другие везикулы сливаются с плазматической мембраной и доставляют мембранные белки. Эти транспортные везикулы также важны для транспортировки гидрофобных липидных частиц через водную цитоплазму.
Внутриклеточные секреторные везикулы
В сети Гольджи создается еще один класс везикул, и это везикулы, несущие груз, который необходимо секретировать. Это могут быть белки и углеводы, которые необходимы для формирования внеклеточный матрикс или ферменты, кофакторы, гормоны и пептиды, которые действуют вне клетки и транспортируются кровь или лимфа, Например, секреторные пузырьки из клеток фибробластов высвобождают гликопротеины, коллагены и другие волокнистые материалы, образуя внеклеточный матрикс. Клетки в кости секретируют минералы и матричные белки, в то время как хрящ клетки (хондроциты) участвуют в секреции гликозаминогликанов и протеогликанов. Эти выделения продолжаются постоянно, без каких-либо внешних сигналов. Синаптические везикулы, однако, являются примерами везикул, которые сливаются с плазматической мембраной в ответ на сигнал потенциала действия. Другими примерами являются клетки, которые выделяют гормоны, ферменты или слизь.
Функции везикул
Как видно из различных типов везикул, они могут участвовать в плавучести и оптимизировать фотосинтез (газовые везикулы), межклеточную передачу сигналов и обмен веществ (экзосомы), внутриклеточное пищеварение (лизосомы), транспорт и секрецию (везикулы, возникающие из сети Гольджи). Он может перевозить грузы любого типа, от крупных апоптотических пузырьков и патогенов до биополимеров, а также отходов. Они необходимы для формирования и поддержания плазматической мембраны, внеклеточного матрикса и внутренней цитоплазматической структуры. Везикулы также имеют решающее значение для функционирования клеток, участвующих во внеклеточном пищеварении, таких как выстилающие пищеварительные органы, такие как слюнные железы, Наконец, организм поддерживает гомеостаз координируя действия различных органов через свою нервную и эндокринную системы. Оба эти орган Системы нуждаются в правильном функционировании везикулярной сети для выполнения своих задач.
викторина
1. Какой из этих пузырьков участвует в осморегуляции?A. Газовый пузырьB. Сократительная вакуольC. лизосомаD. Синаптическая везикула
Ответ на вопрос № 1
В верно. Сократительные вакуоли особенно важны для осморегуляции одноклеточных животных в пресноводных средах. Они забирают лишнюю воду из цитоплазмы и периодически выталкивают ее, тем самым защищая клетку от осмотического стресса. Газовая везикула участвует в оптимизации фотосинтеза и регуляции плавучести, тогда как лизосома – это прежде всего органелла, участвующая во внутриклеточном пищеварении. Синаптические везикулы обнаруживаются в основном в нейронах и участвуют в передаче сигнала от одной нервной клетки к другой.
2. Какова роль синаптического пузырька в передаче сигналов по нейрону?A. Секвестр нейротрансмиттеров и высвобождение их в синаптическую щельB. Переработка нейротрансмиттеровC. Избирательное поглощение нейротрансмиттеров с использованием протонных насосовD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
D верно. Все это функции синаптических везикул. Они содержат протонные насосы на своей мембране, которые позволяют им избирательно концентрировать нейротрансмиттеры внутри них, и участвуют как в высвобождении нейротрансмиттеров в синаптическую щель, так и в их повторный захват и рециркуляцию.
3. Какие из этих клеток выделяют материал исключительно в ответ на внешние раздражители?A. Хондроциты, выделяющие материал для формирования хрящевой матрицыB. Остеобласты, секретирующие минералы и белкиC. Ферменты, выделяющие слюнные железыD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 3
С верно. Слюнные железы стимулируют выделение ферментов в ответ на присутствие пищи во рту. Хондроциты и остеобласты могут выделяться конститутивно, без необходимости внешнего раздражителя.
Что такое везикулы в биологии
Мембранные пузырьки, высвобождаемые эволюционно консервативным способом большинством живых клеток организмов (от бактерий до млекопитающих).
То есть в процессе эволюции везикулы и процесс их высвобождения сохранился у всех живых организмов.
Физиологические функции ВВ заключаются в поддержании внутриклеточного гомеостаза (удалении клеточного «мусора») и передачи информации (в т.ч. генетической) другим клеткам.
У бактерий и эукариотических микроорганизмов ВВ играют важную роль во взаимодействии хозяин-патоген и опосредуют высвобождение в окружающую среду таких соединений, как факторы вирулентности и токсины.
ВВ-опосредованные сигналы могут передаваться различными видами биомолекул: белками, липидами, нуклеиновыми кислотами и сахарами. Окруженные мембранами, ВВ обеспечивают надежную защиту и доставку своего «груза» как в рядом расположенные, так и в удаленные от них клетки.
Наличие ВВ у всех видов живых организмов (архей, прокариот и эукариот) позволило ученым предположить, что секреция ВВ происходила на самых ранних этапах зарождения жизни у общего клеточного предка LUCA.
Первые свидетельства нахождения ВВ внутри организма были получены в 1946 году R. West и соавт., которые обнаружили в плазме крови неизвестные микроскопические частицы с прокоагулянтными (повышающими свёртываемость крови) свойствами. В 1967 году учёные снова столкнулись с этим феноменом, высвобождением из тромбоцитов неизвестных частиц, повышающих свертываемость крови, которые назвали «тромбоцитарной пылью».
Вплоть до начала XXI века ВВ считались малозначимой «экзотикой», пока учёные не взялись за них всерьёз, обнаружив массу важных и интересных функций ВВ.
Интерес к ним значительно усилился после 2006 года, когда было обнаружено, что ВВ могут переносить между клетками различные РНК, включая матричную и микроРНК. Позже было установлен перенос ВВ митохондриальной, одноцепочечной и двухцепочечной ядерной ДНК.
Сегодня ВВ выделены из большинства типов клеток и жидкостей организма (в том числе желчь, грудное молоко, слюна, моча, сперма, кровь, спинномозговая, амниотическая и синовиальная жидкость).
Экзосомы
Представляют наименьший подтип ВВ (размером 30–150 нм), который сегодня наиболее хорошо изучен. Впервые процесс высвобождения экзосом из клеток во внеклеточное пространство был описан в ретикулоцитах крысы в 1983 году, а затем — в ретикулоцитах овец в 1985 г. Пионер в изучении экзосом, R.M. Johnstone, в 1987 году предложила термин «экзосома».
Процесс высвобождения экзосом происходит в несколько этапов:
Этапы описанного выше биогенеза экзосом происходят при активном участии различных регуляторных белков: белковых комплексов ESCRT, белков Alix, ARRDC1, тетраспанинов и др.
Судьба экзосомы зависит от липидного состава мембранных белков эндосомы: если мембрана эндосомы содержит лизобисфосфатидиловую кислоту (фосфатидилинозитол3-фосфат) и убиквитинированные белки, то далее будет слияние с лизосомой и утилизация содержимого. Если же мембрана эндосомы содержит церамиды, эндосома сливается с поверхностной мембраной донорской клетки, и уже в виде множества экзосом секретируется во внеклеточную среду.
Микровезикулы
Или эктосомы — ВВ размером 100–1000 нм, которые отпочковываются от плазматической мембраны.
В отличие от экзосом, на сегодня они изучены гораздо меньше. Хотя и для них характерно участие в важных биохимических процессах, связанных с коагуляцией, иммунитетом, онкогенезом, коммуникацией матери и плода, сердечно-сосудистыми патологиями и др.
Ключевой элемент в биогенезе микровезикул — это фосфолипид плазматической мембраны фосфатидилсерин (PS). Перемещение PS под воздействием ряда факторов на внешнюю сторону мембраны клетки вызывает её выпячивание и отпочкование микровезикул. Вместе с этим, остаётся неясным один момент: почему в процессе отпочкования микровезикул не происходит «подчищение» фагоцитозом клетки, помеченной PS?
Кальций и холестерин также играют немаловажную роль в биогенезе микровезикул.
Характерный для микровезикул молекулярный состав включает в себя матриксные металлопротеиназы (ММР), гликопротеины и интегрины. Недавние исследования показали, что MMP2 может быть использована в качестве маркера микровезикул.
Вместе с этим, белковый состав микровезикул в значительной степени зависит от типа клетки. К примеру, маркер эпителиальных клеток CK18 в большом количестве содержался в эктосомах, секретируемых именно этими клетками.
Апоптоз — это запрограммированная гибель клеток и последующее фагоцитарное удаление частей погибших клеток необходимо во время эмбрионального развития, роста, и нормальной физиологии многоклеточных организмов.
Апоптоз обеспечивает удаление старых, поврежденных, инфицированных или аберрантных клеток из здоровых тканей. Он представляет собой скоординированный демонтаж клетки, после которого фрагменты погибшей клетки упаковывается в апоптозные тельца с последующей утилизацией (рис.1)
Механизм того, как ВВ вступают в коммуникацию с целевыми клетками, ещё продолжает изучаться и не до конца ясен. Предполагается, что они взаимодействуют с клетками-реципиентами, локальными или удаленными от исходной клетки, посредством процесса, включающего сигнализацию лиганда/рецептора на поверхности клетки-мишени и/или слияние везикул и клеточных плазматических мембран. В большинстве случаев это приводит к поглощению ВВ посредством эндоцитоза.
В ходе этого процесса компоненты мембраны ВВ могут сливаться с мембраной клетки-мишени. А грузы ВВ входят в цитоплазму или ядро клетки-реципиента, тем самым внося дополнительные сигнальные молекулы и потенциально приводя к разнообразным функциональным последствиям в целевой клетке.
ВВ принимают активное участие в ряде физиологических процессов: иммунные реакции, клеточные миграции регенерации тканей, созревание эритроцитов, оплодотворение и эмбриональное развитие, функционирование нервной системы, очистка внутриклеточного «мусора» и др.
ВВ несут разные сигналы к клеткам-адресатам. Так, экзосомы выступают переносчиками нейромедиаторов при передаче нервного импульса. Кроме этого, они активно участвуют в презентации антигена — одного из ключевых процессов врождённого иммунитета. Также недавно было описано активное участие ВВ в процессах, связанных со старением. В связи с этим, в 2017 году было проведено исследование, показавшее потенциал в борьбе со старением трансплантации ВВ, полученных от молодых доноров (2017), о чём подробнее расскажем далее (примечание: во второй части этого текста). Также, ВВ — неотъемлемый компонент внеклеточного матрикса, обеспечивающий коммуникацию между его составляющими.
Вместе с переносом информации ВВ могут доставлять уже готовые белки для целевой клетки. К примеру, они переправляют от нейронов к мышечным клеткам мембранный белок синаптотагмин-4, который нужен для формирования нервно-мышечного соединения, передающего электрические сигналы от нейронов к мышечным клеткам. Во время беременности синцитиотрофобласт секретирует экзосомы с иммуносупрессивной активностью, которые ингибируют функцию материнской иммунной системы и способствуют выживанию плода.
Также известно, что экзосомы цитотрофобласта содержат биологически активные белки, которые могут взаимодействовать с материнским эндотелием и регулируют его функции.
Вместе с переносом информации ВВ могут доставлять уже готовые белки для целевой клетки. К примеру, они переправляют от нейронов к мышечным клеткам мембранный белок синаптотагмин-4, который нужен для формирования нервно-мышечного соединения, передающего электрические сигналы от нейронов к мышечным клеткам. Во время беременности синцитиотрофобласт секретирует экзосомы с иммуносупрессивной активностью, которые ингибируют функцию материнской иммунной системы и способствуют выживанию плода. Также известно, что экзосомы цитотрофобласта содержат биологически активные белки, которые могут взаимодействовать с материнским эндотелием и регулируют его функции.
Также ВВ вовлечены в патогенез многих заболеваний, в том числе тех, которые сегодня трудно поддаются лечению и выступают наиболее частой причиной смерти (сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и др.).
Межклеточная коммуникация посредством секреции внеклеточных везикул представляет древний путь общения между клетками, который присущ всем формам жизни: бактериям, археям, эукариотам (рис. 2).
ВВ позволяют «заказным пакетам» со специфической молекулярной информацией обращаться к определенным клеткам-мишеням и далее быть доставленными точно и своевременно в конкретное место тела. Содержимое ВВ может включать: липиды, белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и даже митохондрии (Zaborowski M.P., 2015; Torralba D.., 2018). Каким образом клетки отбирают необходимую для послания молекулярную информацию до конца, еще непонятно. Белковый состав ВВ не полностью соответствует таковому родительской клетки (Doyle L.M., 2019).
Помимо этого, ВВ различного размера, биогенеза и типа груза могут быть выделены одной и той же клеткой (Maas, 2017). «Молекулярная посылка» маркирована специальной почтовой маркой и отправляется точно согласно указанному адресу — она взаимодействует только с клетками определенного типа. Предполагается, что она находит своего адресата по поверхностным рецепторам/лигандам (рис. 3 и 4).
В последнее время ВВ отводят большую роль в процессах межорганной коммуникации с целью поддержания метаболического гомеостаза. Для регуляции метаболизма на уровне организма необходимо взаимодействие мозга, поджелудочной железы, печени, мышц и жировой ткани (рис.5).
Адипоциты «замечены» в процессе выделения экзосомоподобных ВВ, которые могут взаимодействовать с фибробластами, преадипоцитами, эндотелиальными и иммунными клетками, координируя ответ ткани на различную доступность топлива. Эти сигналы играют существенную роль в становлении инсулинорезистентности (ИР) и ожирения.
ВВ из адипоцитов мышей с ожирением запускают активацию макрофагов и ИР. В то же время, экзосомы, полученные из стволовых клеток жировой ткани, улучшают чувствительность к инсулину и приводят к снижению веса у мышей с ожирением. А ВВ из крупных, наполненных жиром, адипоцитов могут стимулировать синтез липидов у мелких адипоцитов в культуре клеток (Samuelson I., 2018).
«Молекулярные посылки», отправляемые старыми (сенесцентными) клетками, оказывают существенное влияние на организм (рис.6). Сенесцентные клетки выделяют больше ВВ, чем молодые, что приводит к провоспалительному сигналу. В то же время, с возрастом в плазме крови наблюдается снижение концентрации ВВ (в период с 30 до 70 лет), что может быть вызвано истощением пула стволовых клеток. Получается, что сигналы «старых» клеток растут, а «молодых» — падают.
При этом, при старении клеток происходит изменение состава ВВ, как РНК, так и белкового. У пожилых снижается количество галектина-3, который участвует в созревании остеобластов, что является одной из причин снижения образования костей с возрастом. Крупные EV, изолированные из плазмы пожилых или сенесцентных эндотелиальных клеток, приводили к кальцификации клеток гладких мышц аорты (Takasugi M., 2018).
«Лидерами» в производстве экзосом считаются стволовые клетки.
Начиная с 2010 года пристальное внимание исследователей привлекают экзосомы мезенхимальных стволовых клеток (MSCs). Дело это не такое простое, так как изучение культивируемого MSCs белкового состава показывает большое разнообразие и количество белков: в среднем, около 400. При этом, около 150 из них — общие для разных партий культивируемых MSCs.
Видимо, они оказывают комплексное воздействие на организм, эффект от которого сравним с использованием самих стволовых клеток.
Но при этом у экзосом более высокий профиль безопасности. На моделях грызунов изучали возможность использования экзосом при повреждении почек, печени, сердечной недостаточности и для регенерации скелетных мышц. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и образованные из них MSC (iMSCs), судя по всему, превосходят мезенхимальные по количеству производимых экзосом и также активно изучаются с целью терапевтического воздействия (Yanning Liu, 2017).
Одним из примеров сложной в высшей степени сигнализации с участием ВВ является нервная система (НС). Она требует особенно высокого уровня интерактивного обмена между сенсорными и моторными нейронами, интернейронами и глией.
Показано, что при деполяризации кортикальные нейроны высвобождают ВВ, содержащие различные белки (молекула клеточной адгезии L1 (L1CAM), Glycosylphosphatidylinositol-anchored proteins (GPI-APs) и glutamate receptor subunit GluR2/3), регулируя таким образом синоптическую активность.
Недавно было обнаружена роль ВВ в нервном развитии через миРНК-несущие ВВ в эмбриональной спинномозговой жидкости (eCSF) как грызунов, так и людей. Добавление eCSF-производных ВВ к нервным стволовым клеткам активировало путь mTORC1, увеличивая скорость пролиферации этих стволовых клеток.
Также известно, что нейроны утилизируют рецепторы нейромедиаторов и миРНК посредством ВВ для регулирования их возбудимости. ВВ выпускаются практически из всех типов клеток в мозге, включая нейральные стволовые/прогениторные клетки, нейроны, астроциты, олигодендроциты и микроглии, а также шванновские клетки и нейроны периферической НС (Breakefield X.O., 2016).
ВВ-сигнализация имеет особое значение в регуляции физиологической функции ЦНС, и астроциты, микроглия, олигодендроциты и нейроны общаются друг с другом через секрецию ВВ. И эта коммуникация на основе ВВ может простираться за пределы ЦНС.
Результаты последних исследований показывают, что при воспалении ВВ, полученные из нервных стволовых клеток, индуцируют активацию провоспалительных цитокинов, сигнальных молекул в иммунных клетках (Indiveri C., 2019). Что показывает потенциальную роль для ВВ-опосредованных перекрестных связей между ЦНС и иммунной системой за пределами гематоэнцефалического барьера.
Кстати, ВВ — первый способ, которым можно ответить «нет» поклонникам. Именно так и поступает яйцеклетка после оплодотворения, выделяя в своих ВВ рецепторы к сперматозоидам и предотвращая таким образом полиспермию.
ВВ в семенной жидкости играют важную роль в оплодотворении, защищая сперматозоиды в женских половых путях и регулируя их подвижность и созревание.
Многочисленные функции ВВ в физиологии спермы основаны на способности переносить молекулы либо в сперматозоиды, либо в иммунные клетки женского репродуктивного тракта. Сперматозоиды вступают в контакт с несколькими типами ВВ, которые могут затем способствовать оплодотворяющей способности, изменяя молекулярный состав и поведение. Сперматозоиды вступают в контакт с простасомами.
Было высказано предположение, что простасомы играют роль в регуляции конденсирования и экзоцитоза акросом. Это сложная серия биохимических и биофизических изменений, которые сперматозоиды претерпевают в треке женских половых органов, чтобы приобрести свойства для оплодотворения и достичь ооцита (Yáñez-Mó M., 2015).
Клетка постоянно балансирует на грани принятия решений. Не ломается только тот, кто не работает. А это явно не про наши клетки.
Внешний стресс (термический, физический, химический) и внутренний стресс (оксидативный) — это реалии жизни каждой клетки, приводящие к всевозможным повреждениям. Клетка оснащена широким арсеналом контроля качества для их распознавания.
Если повреждение незначительное, то ферменты пытаются его починить (например, аккуратно свернуть нарушенный белок). Если слишком сильные, клетка (или ее часть) погибнет в ходе аутофагии. Но между этими двумя решениями есть еще спектр решений, способных «спасти» гомеостаз в клетке. Среди них — высвобождение «поломанных» вредоносных компонентов при помощи ВВ (рис.7).
Долгое время после открытия ВВ считались всего лишь пакетами с мусором (избыточный и поломанный белок и др.). Ну, просто у клеток нет централизованного мусоропровода, как в многоэтажке, поэтому свои «кульки с мусором» они выбрасывают, как «нехорошие» люди во двор — в межклеточное пространство. Уже потом обнаружили, что это не отходы клетки, а важные факторы сигналинга и репрограммирования, которые «подбрасываются» не под дверь соседу, а ищут конкретный клеточный адресат.
Тем не менее, роль «очистки» в поддержании гомеостаза экзосомы все же выполняют. И кто бы мог подумать, что клеточным мусором может быть такая ценная молекула, как ДНК.
История открытия началась в сенесцентных клетках, у которых существенно возрастает секреция везикул. Ученые решили заблокировать избыточную секрецию — вдруг клетки теряют много полезных веществ и поэтому становятся сенесцентыми?
Но они не то что не стали моложе, это спровоцировало рост АФК и ответ на повреждение ДНК, DDR (DNA Damage Response). Ядерные фрагменты накапливались и распознавались сенсором цитоплазматической ДНК — STING.
STING — важный игрок врожденного иммунитета: он распознает вторжение вирусов и бактерий в клетку, стимулируя выработку интерферона 1, и реагирует на свою ДНК, если та не на положенном месте, не в ядре (Akiko Takahashi, 2017).
Цитоплазматическая ДНК детектируется сенсором ДНК как опасный сигнал, что приводит к активации врожденного иммунитета.
Даже в несенесцентных клетках ингибирование секреции ВВ увеличивает количество внутрицитоплазматической ДНК и индуцирует апоптоз и/или арест роста (Masaki Takasugi, 2018).
Таким образом, экзосомы помогают удалять «вредную» цитоплазматическую ДНК из клеток, поддерживая клеточный гомеостаз. Этот же механизм может использоваться не только для удаления своей «нежелательной» ДНК, но и для удаления наследственного материала вирусов из клетки.
Изучение состава экзосом показало, что селективное высвобождение вредоносных, отслуживших компонентов клетки не ограничивается ДНК. Сюда также относится выделение неправильно свернутых и агрегированных белков (Gabriela Desdín-Micó, 2017).
Выделение липидов также может происходить, хотя этот процесс менее изучен. Использование куркумина на клетках с поврежденным антипсихотиками гомеостазом приводило к высвобождению ЛПНП в виде везикул, улучшая показатели липидного гомеостаза.
Но навести гомеостатический порядок — это не только выбросить мусор, но и необходимость задействовать более тонкие механизмы. Если вам кто-то не дает что-то делать дома, просто отправьте его погулять. Примерно так и поступают клетки с репрессорами дифференцировки, например.
Выделение РНК и микро-РНК регулирует экспрессию генов при активации или трансформации клеток. Например, при индукции мышечной атрофии клетки выделяют фактор miR-23, который подавлял FoxO, стимулирующий развитие атрофии. При активации лимфоциты «отправляют в свободное плавание» miR-150, репрессора их дифференцировки.
Также клетки может «избавляться» от активной каспазы 3, ритуального кинжала, которым она планировала совершить харакири, но по тем или иным причинам передумала.
«Выбрасываться» из клетки при помощи ВВ может и более «крупный» мусор. Например, митохондрии.
Митохондрии — очень важные органеллы клетки, которые известны благодаря способности обеспечивать клетку энергией АТФ в процессе кислородного дыхания.
Клетка должна следить за качеством своих митохондрий: если в них что-то нарушается, они начинают производить большое количество активных форм кислорода, что приводит к оксидативному стрессу и к гибели клетки. Поврежденные митохондрии клетка удаляет в процессе митофагии: испорченная митохондрия отмечается специальной меткой, образуется аутофагосома и митохондрия «переваривается».
Особенно за качеством митохондрий должны следить стволовые клетки. Стволовые клетки получают энергию в основном за счет гликолиза, а не за счет кислородного дыхания, так как чувствительны к оксидативным повреждениям, и митохондрии у них должны поддерживаться в незрелом, очень юном состоянии.
Но процесс «удаления» поврежденных митохондрий довольно сложный и энергозатратный. Более того, стволовым клеткам могут «вредить» даже вполне хорошие, но уже достаточно зрелые, митохондрии. Поэтому мезенхимальные стволовые клетки научились передавать задачи утилизации митохондрий на аутсорс. Они упаковывают митохондрию в ВВ и отправляют к макрофагам, которые ее ловят и даже могут использовать для увеличения своей биоэнергетики ( Donald G.Phinney, 2015).
Такой тип митофагии — «митофагия на аутсорс», или трансмитофагия, может быть использована также в других клетка.
Так, митохондрии ретинальных ганглиозных клеток подвергаются лизосомальной деградации в астроцитах головки зрительного нерва. Исследуют возможность такого типа митофагии в длинных отростках нервных клетках, так как деградация митохондрии может происходить только в теле нейрона (там присутствуют лизосомы), а до него митохондрии необходимо пройти длительный путь отростка нейрона. Гораздо удобнее было бы «упаковать» ее в пакет с мусором и отправить на утилизацию, например, в астроцит (Chung-ha O.Davis, 2014).
Могут митохондрии передаваться при помощи ВВ не только в качестве мусора, но и в качестве «спасительной посылки первой помощи».
Так, астроциты могут отправлять митохондрии, упакованные с АТФ и липидами, к нейронам при ишемических состояниях и острой необходимости в поддержании энергетики клетки. В противном случае есть риск гибели нейронов. Такая вот своеобразная «первая помощь» для восстановления гомеостаза (Falchi A.M., 2013; Caicedo A., 2017).
При этом, митохондрии сами по себе тоже могут использовать ВВ как средство для упаковки образованного мусора, и это важный этап контроля их качества (Ayumu Sugiura, 2014).
Матричная, или информационная, или белок—кодирующая, РНК (мРНК, mRNA) является матрицей для синтеза аминокислотной белковой последовательности, из которой потом образуется тот или иной белок. На нее «переписывается» информация с ДНК в ядре клетки, а потом мРНК отправляется в цитоплазму к рибосомам, где и происходит сборка будущего белка.
Если такую матрицу «упаковать» в экзосому и отправить клетке-адресату, то в ней может синтезироваться белок даже не характерный для данного типа клеток.
Интересно, что изучение ряда клеток опухолей показало, что определенная доля мРНК идет только «на экспорт», т.е. обнаруживается только в ВВ, выделяемых данной клеткой, но не обнаруживается в самой клетке.
Таким образом, экзосомальная мРНК является функциональной и может переходить в процесс трансляции к таргетной клетке, непосредственным образом влияя на производство белка в клетке-мишени.
В исследовании Ratajczak, опубликованном в 2006 году, автор выделил везикулы из культивированных стволовых клеток и обнаружил, что эти везикулы содержат РНК (Ratajczak, 2006), которая может быть доставлена к другим типам клеток (например, гемопоэтические клетки-предшественники).
Этот перенос молекулярной информации побуждал клетки-реципиенты вырабатывать маркерные белки, характерные для плюрипотентных, эволюционно гибких стволовых клеток, из которых возникли везикулы.
Это открытие имело важное значение для регенеративной медицины. Внеклеточные везикулы из стволовых клеток, в том числе и индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, могут быть использованы для прямого восстановления поврежденной ткани. Более того, такой подход позволил бы избежать необходимости введения пациентам потенциально иммуногенных клеток.
По мнению ученых, используя везикулы, полученные из стволовых клеток, возможно было бы проводить терапию стволовыми клетками без этих клеток. Как показали исследования, внеклеточные везикулы несут РНК с регенеративным потенциалом. Везикулы, полученные из эндотелиальных клеток-предшественников, вызывали прорастание новых капиллярообразных кровеносных сосудов (Karen Hopkin, 2016).
МикроРНК(miRNA) — это маленькие некодирующие однонитевые РНК (по ним нельзя собрать белок). Они не кодируют белки сами, но широко известна их способность влиять на экспрессию генов: микроРНК могут влиять на синтез белка, ингибируя трансляцию мРНК. То есть прибыв в клетку-мишень, посылка с микроРНК может коренным образом изменить ее работу.
«Упаковка» микроРНК в везикулы защищает ее от нуклеаз на пути до таргетной клетки. Интересно, что микроРНК может упаковываться в везикулы сразу с белками, необходимыми для ее процессинга или работы (Samuelson I., 2018).
Большую роль играет транспорт микроРНК с экзосомами в становлении и метастазировании опухолевых процессов.
Последние годы активно изучается роль экзосомальной микроРНК в нейродегенеративных заболеваниях (мозг содержит 70% известных микроРНК), мышечной саркопении и дегенерации сетчатки (Kim K.M., 2017).
Длинная некодирующая РНК (днкРНК, lncRNA). Этот класс РНК был открыт около 30 лет назад, но только последние годы начала проясняться их роль в жизни клетки. Они участвуют в контроле организации хроматина, транскрипции генов, трансляции белков, сборке макромолекулярных суперкомплексов.
Данный тип РНК изучали в ВВ клеток опухоли. Вероятно, она работает «в связке» с микроРНК. Служат ли везикулы с днкРНК своеобразной «губкой», которая потом «ловит» везикулы с микроРНК, либо же они способствуют загрузке микроРНК в экзосомы, до конца не ясно.
Кольцевые РНК (circRNA) относятся к некодирующим РНК, обнаруживаются в эукариотических клетках, образуются при помощи альтернативного сплайсинга и являются достаточно долгоживущими (у них нет концов, которые могли бы расщепиться эндонуклеазами).
Перенос ДНК при помощи ВВ изучен гораздо в меньшей степени, чем различных видов РНК. Тем не менее, ВВ могут переносить ДНК как в виде небольших ее фрагментов (около 100 п.о.), так и внушительных размеров цепи (несколько миллионов п.о.). При чем большая часть ДНК, переносимая ВВ, связана с их внешней мембраной, а не упакована внутрь пузырька, как это происходит с другими молекулами.
Внеклеточные функции РНК данного типа еще не до конца изучены, вероятно, они выполняют регуляторную роль.
Недавно было показано наличие и стабильность кольцевых РНК в везикулах, выделяемых раковыми клетками, что позволяет их использовать в качестве потенциального чувствительного и специфичного биомаркера для ранней диагностики (Daniele Fanale, 2018).
Роль переноса ДНК от клетки к клетке еще не до конца изучена. Недавнее исследование показало, что поверхностно-связанная ВВ-ДНК играет важную роль в связывании ВВ с фибронектином, (Nemeth A., 2017) гликопротеином внеклеточного матрикса, который имеет жизненно важное значение в процессах, связанных с прогрессированием опухоли (Wang J.P., 2017).
Единого мнения касательно того, может ли ДНК, доставленная с ВВ, функционировать в клетке-реципиенте, еще нет. Показано, что некоторые фрагменты ДНК, связанные с ВВ, содержат целые гены с промоторной и терминаторной областями (Gezsi A., 2019; Sukhvinder G., 2019). Эксперименты на модельном растении Arabidopsis thaliana показали, что ДНК, транспортируемая при помощи ВВ, может интегрироваться в геном клетки-реципиента, что подтверждает идею о горизонтальном трансфере ДНК при помощи ВВ (Stefanie Fischer, 2016).
Помимо двуцепопчечной ДНК в ВВ могут переноситься и другие ее типы, например, митохондриальная ДНК (мтДНК). В частности, исследуется роль переноса в онкологии молочной железы и других типах рака (Sansone P., 2017). МтДНК в микроокружении опухоли могут приводить к активации нейтрофилов и неблагоприятным прогнозам овариального рака (Singel K.L., 2018).
Помимо этого, концентрация внеклеточной мтДНК является важным маркером хронического воспаления, сопровождающего старение и нейродегенеративные заболевания.
Одним из путей выделения мтДНК в межклеточное пространство является ее упаковка в экзосомы (Anna Picca, 2018). При этом увеличение количества внеклеточной мтДНК сопровождает не только связанное с возрастом хроническое воспаление в мозге, но и, вероятно, вносит вклад в патогенез аутизма. Так, было показано, что в сыворотке крови детей с аутизмом было большое количество ВВ с мтДНК, провоцирующей воспалительные процессы через активацию микроглии (Irene Tsilioni, 2018).