Mechanizm fuzji
Mechanizm fuzji to dowolny mechanizm, za pomocą którego zachodzi fuzja komórek lub fuzja wirusa z komórką, a także mechanizm ułatwiający te procesy. Fuzja komórek to tworzenie komórki hybrydowej z dwóch oddzielnych komórek. Istnieją trzy główne działania podejmowane zarówno w fuzji wirus-komórka, jak i komórka-komórka: odwodnienie polarnych grup główek, promowanie łodygi hemifuzyjnej oraz otwieranie i rozszerzanie porów między łączącymi się komórkami. Fuzje wirus-komórka występują podczas infekcji kilku wirusów, które są obecnie istotne dla zdrowia. Niektóre z nich to HIV , Ebola i grypa . Na przykład wirus HIV zaraża się przez fuzję z błonami komórek układu odpornościowego . Aby HIV mógł połączyć się z komórką, musi być w stanie związać się z receptorami CD4 , CCR5 i CXCR4 . Fuzja komórek występuje również w wielu komórkach ssaków, w tym w gametach i mioblastach .
Mechanizmy wirusowe
fuzogeny
Białka, które pozwalają błonom wirusowym lub komórkowym pokonać bariery fuzyjne, nazywane są fuzogenami . Fuzogeny biorące udział w mechanizmach fuzji wirusa z komórką były pierwszymi odkrytymi białkami. Wirusowe białka fuzyjne są niezbędne do fuzji błonowej. Istnieją dowody na to, że gatunki przodków ssaków mogły włączyć te same białka do swoich własnych komórek w wyniku infekcji. Z tego powodu podobne mechanizmy i maszyneria są wykorzystywane w fuzji komórka-komórka.
W odpowiedzi na pewne bodźce, takie jak niskie pH lub wiązanie się z receptorami komórkowymi, te fuzogeny będą zmieniać konformację. Zmiana konformacji umożliwia odsłonięcie hydrofobowych regionów fuzogenów, które normalnie byłyby ukryte wewnętrznie z powodu niekorzystnych energetycznie interakcji z cytozolem lub płynem pozakomórkowym . Te regiony hydrofobowe są znane jako peptydy fuzyjne lub pętle fuzyjne i są odpowiedzialne za powodowanie zlokalizowanej niestabilności błony i fuzji. Naukowcy odkryli, że w fuzjach wirus-komórka lub komórka-komórka biorą udział następujące cztery klasy fuzogenów.
Fuzogeny klasy I
Te fuzogeny są trimeryczne , co oznacza, że składają się z trzech podjednostek . Ich pętle fuzyjne są ukryte wewnętrznie na połączeniach monomerów, zanim nastąpi fuzja. Po zakończeniu fuzji ponownie fałdują się w inną strukturę trimeryczną niż struktura, którą mieli przed fuzją. Te fuzogeny charakteryzują się grupą sześciu helis α w ich strukturze pofuzyjnej. Ta klasa fuzogenów zawiera niektóre białka wykorzystywane przez grypę , HIV , koronawirusy i ebolę podczas infekcji. Ta klasa fuzogenów obejmuje również syncytyny , które są wykorzystywane w fuzjach komórek ssaków.
Fuzogeny klasy II
Fuzogeny klasy II zawierają wiele β-pofałdowanych arkuszy . Białka te są również trimeryczne i biorą udział we wstawianiu pętli fuzyjnych do błony docelowej. Ich zmiany konformacji mogą być wywołane przez ekspozycję na kwaśne środowisko. Fuzogeny klasy II mają strukturę odmienną od fuzogenów klasy I, ale podobnie obniżają barierę energetyczną dla fuzji membranowej. Fuzogeny klasy I biorą udział we flawiwirusach ( kleszczowe zapalenie mózgu ); alfawirusy ( wirus Semliki Forest , wirus Sindbis , chikungunya i różyczka ); i flebowirusy ( wirus gorączki doliny Rift i wirus Uukuniemi ).
Fuzogeny klasy III
Fuzogeny klasy III biorą udział w fuzjach wirusa z komórką. Podobnie jak fuzogeny w poprzednich dwóch klasach, białka te są trimeryczne. Zawierają jednak zarówno α-helisy, jak i β-pofałdowane arkusze. Podczas fuzji komórkowej monomery tych białek ulegają dysocjacji, ale po zakończeniu fuzji powrócą do innej struktury trimerycznej. Biorą również udział we wprowadzaniu pętli fuzyjnych do błony.
Fuzogeny klasy IV
Te reowirusowe fuzogeny komórka-komórka zawierają pętle fuzyjne, które mogą indukować fuzję komórkową. Tworzą struktury polimerowe, które indukują stapianie się błon. Reowirusy same nie mają błon, więc fuzogeny klasy IV zwykle nie biorą udziału w tradycyjnej fuzji wirus-komórka. Jednakże, gdy ulegają ekspresji na powierzchni komórek, mogą indukować fuzję komórka-komórka.
Mechanizm klasy I–III
Fuzogeny klas I-III mają wiele różnic strukturalnych. Jednak metoda, którą wykorzystują do indukowania fuzji błon, jest mechanistycznie podobna. Po aktywacji wszystkie te fuzogeny tworzą wydłużone struktury trimeryczne i zakopują swoje peptydy fuzyjne w błonie komórki docelowej. Są one zabezpieczone w błonie wirusowej przez hydrofobowe regiony transbłonowe. Te fuzogeny następnie zwijają się, tworząc strukturę przypominającą spinkę do włosów. Ta czynność składania sprawia, że region transbłonowy i pętla fuzyjna przylegają do siebie. W konsekwencji błona wirusowa i błona komórki docelowej również zbliżają się do siebie. W miarę jak membrany zbliżają się do siebie, ulegają odwodnieniu, co umożliwia kontakt membran. Interakcje między hydrofobowymi resztami aminokwasowymi a sąsiadującymi błonami powodują destabilizację błon. Pozwala to fosfolipidom w zewnętrznej warstwie każdej błony na interakcję ze sobą. Zewnętrzne ulotki dwóch błon tworzą łodygę hemifuzji, aby zminimalizować niekorzystne energetycznie interakcje między hydrofobowymi ogonami fosfolipidowymi a środowiskiem. Ta łodyga rozszerza się, umożliwiając interakcję wewnętrznych listków każdej błony. Te wewnętrzne ulotki następnie łączą się, tworząc pory fuzji. W tym momencie składniki cytoplazmatyczne komórki i wirusa zaczynają się mieszać. Gdy pory fuzyjne rozszerzają się, fuzja wirusa z komórką jest zakończona.
Mechanizmy fuzji komórek ssaków
Chociaż istnieje wiele różnic w różnych fuzjach między komórkami ssaków, w większości tych zdarzeń fuzyjnych występuje pięć etapów: „programowanie statusu kompetentnego do fuzji, chemotaksji, adhezji błony, fuzji błony i resetowania po fuzji”.
Programowanie statusu kompetentnego dla fuzji
Ten pierwszy krok, znany również jako torowanie, obejmuje niezbędne zdarzenia, które muszą mieć miejsce, aby komórki uzyskały zdolność do fuzji. Aby komórka stała się zdolna do fuzji, musi manipulować składem swojej błony, aby ułatwić fuzję błony. Musi również konstruować białka niezbędne do pośredniczenia w fuzji. Wreszcie, musi wyeliminować przeszkody dla fuzji. Na przykład komórka może uwolnić się z macierzy pozakomórkowej , aby umożliwić komórce większą ruchliwość i ułatwić fuzję.
Monocyty, makrofagi i osteoklasty
Monocyty i makrofagi mogą stać się zdolne do fuzji w odpowiedzi na cytokiny , które są cząsteczkami sygnalizacyjnymi dla białek. Niektóre interleukiny pobudzają monocyty i makrofagi do łączenia się w celu utworzenia olbrzymich komórek ciała obcego w ramach odpowiedzi immunologicznej organizmu. Na przykład interleukina-4 może promować aktywację czynnika transkrypcyjnego STAT6 przez fosforylację. Może to następnie wywołać ekspresję metaloproteinazy macierzy 9 ( MMP9 ). MMP9 może rozkładać białka w macierzy pozakomórkowej, co pomaga w przygotowaniu makrofagów do fuzji.
Osteoklasty to wielojądrzaste komórki resorpujące kość. Powstają w wyniku fuzji zróżnicowanych monocytów, podobnie jak olbrzymie komórki ciała obcego. Jednak cząsteczki, które indukują zdolność fuzji makrofagów, które mają stać się osteoklastami, różnią się od tych, które sprzyjają tworzeniu się komórek olbrzymich ciała obcego. Na przykład czynnik transkrypcyjny NFATC1 reguluje geny specyficzne dla różnicowania osteoklastów.
Komórki haploidalne
zygoty jest kluczowym krokiem w rozmnażaniu płciowym i zależy od fuzji plemników i komórek jajowych. W związku z tym komórki te muszą zostać zagruntowane, aby uzyskać zdolność do fuzji. Fosfatydyloseryna jest fosfolipidem, który zwykle znajduje się na wewnętrznej warstwie błony komórkowej. Po zagruntowaniu plemników fosfatydyloserynę można znaleźć na zewnętrznej ulotce błony. Uważa się, że pomaga to ustabilizować błonę główki plemnika i może odgrywać rolę w umożliwieniu plemnikom wejścia do osłony przejrzystej pokrywającej komórki jajowe. Ta niezwykła lokalizacja fosfatydyloseryny jest przykładem restrukturyzacji błony podczas primingu do fuzji komórek.
Chemotaksja
Chemotaksja to proces rekrutacji w odpowiedzi na obecność pewnych cząsteczek sygnałowych. Komórki przeznaczone do fuzji są przyciągane do siebie poprzez chemotaksję. Na przykład plemniki są przyciągane do komórki jajowej poprzez sygnalizację progesteronu. Podobnie w tkance mięśniowej mioblasty mogą być rekrutowane do fuzji przez IL-4.
Przyczepność membrany
Zanim komórki mogą się łączyć, muszą się ze sobą stykać. Można to osiągnąć poprzez rozpoznawanie i przyłączanie komórek przez maszynerię komórkową. Syncytyna-1 jest fuzogenem klasy I zaangażowanym w fuzję komórek w celu utworzenia osteoklastów u ludzi. Podczas wczesnych działań fuzogenów klasy I w fuzjach komórkowych wstawiają swoje pętle fuzyjne do błony docelowej. W związku z tym działanie syncytyny-1 jest przykładem adhezji błony, ponieważ łączy ze sobą dwie komórki, przygotowując je do fuzji. Etap ten obejmuje również odwodnienie membran w miejscu fuzji. Jest to konieczne, aby przezwyciężyć zapotrzebowanie na energię niezbędną do fuzji i zapewnić, że membrany znajdują się bardzo blisko siebie, aby nastąpiła fuzja.
Fuzja membranowa
Fuzja membranowa charakteryzuje się tworzeniem porów fuzyjnych , które umożliwiają mieszanie się wewnętrznej zawartości obu komórek. Jest to najpierw osiągane przez mieszanie lipidów zewnętrznych warstw łączących się błon, co tworzy łodygę hemifuzji. Następnie wewnętrzne ulotki mogą wchodzić w interakcje i łączyć się, tworząc otwartą szczelinę, w której membrany się stopiły. Ta szczelina to por fuzji. W procesie tym pośredniczą fuzogeny. Fuzogeny są wysoce konserwatywne u ssaków i przypuszcza się, że ssaki przyjęły je po zakażeniu retrowirusami. Ponieważ są wysoce konserwatywne, wykonują swoje zadanie poprzez podobny mechanizm do mechanizmu stosowanego przez fuzogeny wirusowe, jak opisano wcześniej. Teoretyzuje się, że polimeryzacja aktyny i inne działania cytoszkieletu mogą pomóc w poszerzeniu porów fuzyjnych do całkowitej fuzji.
Resetowanie po fuzji
Po zakończeniu fuzji maszyneria używana do fuzji musi zostać zdemontowana lub zmieniona, aby uniknąć fuzji nowej, wielojądrzastej komórki z większą liczbą komórek. Jednym z przykładów jest ostateczna struktura trimeryczna przyjmowana przez fuzogeny klasy I, II i III. Każdy z nich przyjmuje strukturę, która znacznie różni się od ich formy przed fuzją. To prawdopodobnie zmienia ich aktywność, uniemożliwiając im zainicjowanie kolejnej fuzji. [ potrzebne źródło ]