Zaburzenia asymetrycznego rozmieszczenia fosfatydylocholiny w blonie kom, Biotechnologia, Hodowle tkankowe
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
ZABURZENIA ASYMETRII FOSFATYDYLOSERYNY
231
POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI
TOM 34 2007 NR 2 (231240)
ZABURZENIA ASYMETRYCZNEGO ROZMIESZCZENIA
FOSFATYDYLOSERYNY W B£ONIE KOMÓRKOWEJ
NAJNOWSZE TEORIE
DISTURBANCES OF THE ASYMMETRY OF PHOSPHATIDYLSERINE
IN THE CELL MEMBRANE THE LATEST DATA
Agnieszka MARCZAK, Zofia JÓWIAK
Katedra Termobiologii, Instytut Biofizyki, Uniwersytet £ódzki
Streszczenie: Asymetryczne rozmieszczenie lipidów b³onowych ma ogromne znaczenie dla utrzymania pra-
wid³owej homeostazy komórek, a tym samym i organizmu. Pomimo i¿ wiele prac ukaza³o siê na temat
mechanizmów prowadz¹cych do zachowania asymetrycznego charakteru rozmieszczenia lipidów b³ono-
wych, wci¹¿ pojawiaj¹ siê nowe doniesienia wyjaniaj¹ce to ciekawe zjawisko. Szczególnie interesuj¹ce wyda-
j¹ siê badania dotycz¹ce przemieszczania fosfatydyloseryny (PS) w apoptozie. Niniejszy artyku³ przedsta-
wia najnowsze teorie dotycz¹ce przemieszczania siê fosfatydyloseryny na powierzchniê komórek.
S³owa kluczowe: fosfatydyloseryna, asymetria, apoptoza.
Summary: The maintenance of transbilayer lipid asymmetry is essential for normal cell membrane func-
tion and homeostasis of organisms. Even though many articles appeared about loss of transmembrane
phospholipid asymmetry, constantly come out new data about this interesting occurrence. The most
noteworthy are studies about phosphatidylserine (PS) externalization in apoptosis. This article present
the latest data about the redistribution of PS on the surface of the cells.
Key words: phosphatidylserine (PS), asymmetry, apoptosis.
1. FIZJOLOGICZNE KONSEKWENCJE ASYMETRYCZNEGO
ROZMIESZCZENIA FOSFOLIPIDÓW W B£ONIE
KOMÓRKOWEJ
Powszechnie wiadomo, ¿e dziêki trzem klasom transporterów wewn¹trzb³onowych
(flipazy, flopazy i skramblazy) fosfolipidy s¹ utrzymywane w zewnêtrznej b¹d
wewnêtrznej monowarstwie dwuwarstwy lipidowej. Procentowa zawartoæ fosfolipi-
dów w poszczególnych monowarstwach zale¿y od rodzaju b³ony i funkcji danej komórki.
232
A. MARCZAK, Z. JÓWIAK
Do komórek, w których asymetria b³ony komórkowej najsilniej jest zaznaczona, nale¿¹
miêdzy innymi erytrocyty, w których 80% sfingomieliny (SM) i 75% fosfatydylocholiny
(PC) jest zlokalizowane w zewnêtrznej, a 75% fosfatydyloetanoloaminy (PE) w
wewnêtrznej monowarstwie. Fosfatydyloseryna (PS) natomiast znajdowana jest tylko
i wy³¹cznie w monowarstwie wewnêtrznej. Badania z u¿yciem fosfolipaz oraz przeciw-
cia³ monoklonalnych pozwoli³y tak¿e oceniæ rozmieszczenie mniej licznych fosfolipidów.
Stwierdzono i¿ kwas fosfatydowy (PA), fosfatydyloinozytol (PI) oraz 4,5-difosforan
fosfatydyloinozytolu (PIP2), podobnie jak PS w 80% znajduj¹ siê w wewnêtrznej, a w
20% w zewnêtrznej monowarstwie b³ony [4].
Jak wa¿ne dla komórki jest utrzymanie asymetrycznego rozmieszczenia fosfolipidów,
wiadczyæ mog¹ nieprawid³owoci w funkcjonowaniu komórek, w których stwierdzono
zaburzenia w asymetrycznym rozmieszczeniu lipidów b³onowych. Utrata asymetrycz-
nego rozmieszczenia lipidów w b³onie prowadzi do zmian we w³aciwociach fizycznych
b³ony, które z kolei znajduj¹ swe odzwierciedlenie w oddzia³ywaniach komórka - komórka
i b³ona - bia³ka wewn¹trzkomórkowe [9,48]. W wyniku przypadkowych zmian po³o¿enia
lipidów zaburzeniom mo¿e ulegaæ miêdzy innymi aktywnoæ enzymatycznych bia³ek
cytoplazmatycznych. Przyk³adem takiego bia³ka jest jeden z najlepiej scharakteryzo-
wanych enzymów zale¿nych od fosfolipidów bia³kowa kinaza C. Wi¹¿e siê ona z
cytoplazmatyczn¹ powierzchni¹ b³ony komórkowej. Enzym ten wymaga do pe³nej
aktywacji dwóch kofaktorów lipidowych: diacyloglicerolu i fosfatydyloseryny [37].
Utrata asymetrii lipidowej powoduje obni¿enie stê¿enia tych lipidów w monowarstwie
wewnêtrznej i redukuje ich interakcje z bia³kow¹ kinaz¹ C i innymi bia³kami, które
wi¹¿¹ siê poprzez PS z b³on¹. Poniewa¿ wiele z tych bia³ek uczestniczy w przekazywaniu
sygna³ów w komórce, mo¿na powiedzieæ, ¿e zmiany w rozk³adzie lipidów mog¹
przyczyniæ siê do zaburzeñ w przekazywaniu informacji.
O wa¿noci asymetrycznego u³o¿enia fosfolipidów mo¿e wiadczyæ równie¿ fakt,
¿e zaburzenia asymetrii lipidów b³onowych obserwowane s¹ miêdzy innymi w takich
schorzeniach, jak: anemia sierpowata, cukrzyca [9] czy syndrom Scotta [47]. Ponadto
komórki krwi, na których powierzchni jest eksponowana PS, ³atwiej przylegaj¹ do
endotelium naczyñ w³osowatych, co przyspiesza proces krzepniêcia krwi i mo¿e
powodowaæ nieoczekiwane zakrzepy.
Przemieszczanie siê PS jest te¿ jednym ze zjawisk obserwowanych w procesie
programowanej mierci komórki, czyli apoptozie, zarówno w ró¿nych komórkach
j¹drzastych jak i bezj¹drzastych erytrocytach cz³owieka [5,13,31,32,45]. Dziêki
eksternalizacji PS, komórki apoptotyczne s¹ rozpoznawalne przez makrofagi maj¹ce
receptory dla PS i s¹ przez te makrofagi fagocytowane [6,16].
W badaniach zwi¹zanych z przemieszczaniem siê PS du¿o uwagi powiêca siê roli
reaktywnych form tlenu. Istniej¹ doniesienia wskazuj¹ce, ¿e przyczyn¹ przemieszczania
siê PS mo¿e byæ proces utleniania tego fosfolipidu [23,43]. Proces utleniania PS mo¿e
zachodziæ zarówno pod wp³ywem reaktywnych form tlenu (RFT) tworzonych w wyniku
przemian zwi¹zków egzogennych, jak i w nastêpstwie procesów zachodz¹cych
wewn¹trz komórki, miêdzy innymi w procesie apoptozy.
ZABURZENIA ASYMETRII FOSFATYDYLOSERYNY
233
2. ENZYMY UCZESTNICZ¥CE W REGULACJI PO£O¯ENIA PS
Fosfolipidy mog¹ spontanicznie przemieszczaæ siê miêdzy wewnêtrzn¹ i zewnêtrzn¹
monowarstw¹. Obecne w b³onie specjalne enzymy dbaj¹ o to, aby takie fosfolipidy,
które zmieni³y po³o¿enie wraca³y na w³aciw¹ czêæ b³ony [20]. Najwa¿niejszym
enzymem, który reguluje po³o¿enie PS w b³onie komórkowej, jest translokaza aminofosfo-
lipidowa (APT II), bia³ko o masie 116 kDa (ryc. 1). Zidentyfikowano 4 izoformy APT
II specyficznej dla PS [12]. Translokaza aminofosfolipidowa jest bia³kiem wra¿liwym
na stres oksydacyjny oraz na alkilowanie jej grup SH [15,43]. Utrata zdolnoci
przemieszczania PS do wewnêtrznej monowarstwy mo¿e byæ przyczyn¹ obecnoci
tego fosfolipidu w monowarstwie zewnêtrznej. Pocz¹tkowo proponowano dwa
wyjanienia:
1 dochodzi do modyfikacji grup SH translokazy wra¿liwych na czynniki utleniaj¹ce
i w ten sposób hamowana jest aktywnoæ tego enzymu [15],
2 APT pozostaje aktywna, ale nie rozpoznaje utlenionej fosfatydyloseryny (PSox)
jako substratu i dochodzi do nagromadzenia PS na powierzchni b³ony [43]. Jednak
eksperymenty Tyuriny i wsp. [43] wykaza³y, ¿e zarówno PS, jak i PSox s¹ rozpozna-
wane przez translokazê, co wyklucza tê drug¹ teoriê.
RYCINA 1. Translokaza aminofosfolipidowa jest najwa¿niejszym enzymem reguluj¹cym po³o¿enie
PS w b³onie komórkowej (A). Utrata zdolnoci przemieszczania PS przez translokazê mo¿e byæ
przyczyn¹ obecnoci tego fosfolipidu w monowarstwie zewnêtrznej (B) (na podstawie [44] zmody-
fikowany)
W apoptozie w regulowaniu po³o¿enia PS w b³onie komórkowej uczestniczy rodzina
bia³ek ABC [7]. Wykazano, ¿e eksternalizacjê PS powoduje bia³ko ABCA1. Inne badania
wskazuj¹ jednak, ¿e udzia³ tego bia³ka w eksponowaniu PS na powierzchni komórki
jest niewielki [40]. Udzia³ w transporcie PS maj¹ równie¿ aktywowane przez jony
wapnia skramblazy, transportuj¹ce lipidy biernie w obie strony [10].
234
A. MARCZAK, Z. JÓWIAK
3. ROLA CYTOCHROMU C
Wed³ug grupy Kagana [23, 24] w procesie utleniania i nastêpnie eksternalizacji PS
najprawdopodobniej uczestniczy cytochrom c (ryc. 2). Cytochrom c jest to hemoproteina
pe³ni¹ca funkcjê transportera elektronów pomiêdzy kompleksami cytochromów bc1 a
oksydaz¹ cytochromow¹ w mitochondriach. Uczestniczy wiêc w produkcji energii w
komórce. Potwierdzony jest tak¿e udzia³ cytochromu c w procesie apoptozy, podczas
której wydostaje siê on z mitochondriów i tworzy w cytoplazmie wraz z czynnikiem
Apaf-1 apoptosom. Ostatnio odkryto jego dodatkow¹ funkcjê w apoptozie. Otó¿
stwierdzono, ¿e uczestniczy on w utlenianiu dwóch fosfolipidów: kardiolipiny (CL)
obecnej w mitochondriach [27] i PS w b³onie komórkowej [23]. Cytochrom c jest
bia³kiem (pI=10,3), które ma w pH fizjologicznym osiem dodatnio na³adowanych reszt
aminokwasowych. Mo¿e wiêc tworzyæ wi¹zania elektrostatyczne z anionowymi
fosfolipidami b³onowymi, takimi jak: PS, CL i PI, które z kolei obdarzone s¹ ³adunkiem
ujemnym [35,41]. Poprzez elektrostatyczne i hydrofobowe interakcje z ujemnie
na³adowan¹ kardiolipin¹ obecn¹ w mitochondriach cytochrom c uzyskuje aktywnoæ
pseudoperoksydazy i katalizuje utlenianie CL. Ta zdolnoæ cytochromu c do uzyskiwania
aktywnoci enzymatycznej jest mo¿liwa dziêki obecnoci w cz¹steczce cytochromu
RYCINA 2. Udzia³ cytochromu c w przemieszczaniu PS do zewnêtrznej monowarstwy b³ony
komórkowej (na podstawie [44] zmodyfikowany)
ZABURZENIA ASYMETRII FOSFATYDYLOSERYNY
235
hemu, którego ¿elazo mo¿e ulegaæ odwracalnemu utlenieniu. W normalnych warunkach
kardiolipina nie wystêpuje na zewn¹trz mitochondriów, ale aktywacja cytochromu c do
peroksydazy jest obserwowana równie¿ w innych obszarach cytozolowych. Cytochrom
c uwalniany podczas apoptozy z mitochondriów mo¿e tworzyæ tak¿e wi¹zania
elektrostatyczne z PS obecn¹ w wewnêtrznej monowarstwie dwuwarstwy lipidowej.
Silna interakcja miêdzy cytochromem c i PS zosta³a potwierdzona zarówno w
modelowych systemach, jak i naturalnych b³onach komórkowych [38,41]. Pomimo i¿
powinowactwo cytochromu c do PS jest ni¿sze ni¿ do CL, cytochrom mo¿e równie¿
tworzyæ stabilne kompleksy z PS oraz pe³niæ rolê katalizatora procesu utleniania
fosfolipidu w sposób analogiczny do reakcji utleniania kardiolipiny w mitochondriach.
W procesie utleniania fosfolipidów przez cytochrom c istotn¹ rolê pe³ni¹ równie¿
reaktywne formy tlenu (O
2
-
i H
2
O
2
) generowane podczas apoptozy [23]. Dowodem
na to s¹ badania Matsury i wsp. [32], w których okaza³o siê, ¿e melfalan (czynnik
alkiluj¹cy), który indukuje eksternalizacjê PSox w komórkach HL-60, nie powoduje
tego efektu w komórkach HP100 wykazuj¹cych nadekspresjê katalazy, enzymu z grupy
oksydoreduktaz, katalizuj¹cej proces rozk³adu nadtlenku wodoru (H
2
O
2
) [32]. Potwier-
dzeniem natomiast hipotezy o roli cytochromu c w procesie utleniania PS mog¹ byæ
badania z wykorzystaniem komórek pozbawionych cytochromu c (c-/-). W komórkach
nie zawieraj¹cych tego bia³ka nie dochodzi³o do utleniania PS pod wp³ywem H
2
O
2
czy
tBuOOH [22]. W³¹czenie egzogennego cytochromu c do tych komórek powodowa³o
odbudowanie wra¿liwoci PS na utlenianie i zdolnoci fosfolipidu do przemieszczania
na powierzchniê. Ponadto eksperymenty Matsury i wsp. [34] wykaza³y, ¿e obserwowa-
ny z up³ywem czasu wzrost iloci PS na powierzchni komórek skorelowany by³ ze
wzrostem iloci cytochromu c pojawiaj¹cego siê w cytozolu.
Interesuj¹ce jest, ¿e kaskada reakcji apoptotycznych wywo³ana przez ró¿ne czynniki
proapoptotyczne powoduje selektywne utlenianie PS, podczas gdy liczniej reprezento-
wane w b³onie fosfolipidy, takie jak PC czy PE, s¹ w znacznie mniejszym stopniu
utleniane lub nawet obserwuje siê brak ich utlenienia [23, 25, 33, 44].
4. BEZPOREDNIE DOWODY NA OBECNOÆ PSox
NA POWIERZCHNI KOMÓREK
Pomimo i¿ w wielu pracach pojawia³y siê informacje, ¿e przemieszczanie siê PS do
zewnêtrznej monowarstwy poprzedzone jest jej utlenieniem, to dopiero badania Matsury
i wsp. [34] oraz Dimanche-Boitrel i wsp. [11] dostarczy³y bezporedniego dowodu na
powstawanie PSox w komórkach. Wykorzystanie techniki HPTLC pozwoli³o nie tylko
na potwierdzenie, i¿ dochodzi do utleniania PS, ale tak¿e na ilociowe oznaczenie PSox
na powierzchni komórek. Najwiêkszy stopieñ utlenienia PS obserwowano w b³onie
plazmatycznej w porównaniu z b³onami wewnêtrznymi organelli komórkowych, takich
jak: mitochondria, j¹dro, lizosomy czy mikrosomy [24]. Utlenianie PS poprzedza lub
zbiega siê z licznymi procesami apoptotycznymi, m.in. z aktywacj¹ kaspazy 3.
Interesuj¹ce jest, ¿e w komórkach kontrolnych Jurkat PSox wystêpuje w niewielkich
[ Pobierz całość w formacie PDF ]