Gaetano Odierna » 14.Esocitosi, Endocitosi, transcitosi

Trasporto vescicolare

Il trasporto vescicolare riguarda il trasporto di materiale incluso in vescicole che gemmano da un compartimento donatore per fondersi con un compartimento accettore, il quale riceve le proteine sia integrali di membrana sia quelle solubili della vescicola.

Esocitosi

L’esocitosi è un tipo di trasporto vescicolare. Le vescicole gemmano dal compartimento trans dell’apparato del Golgi, si fondono con la membrana plasmatica e versano (secrezione) le proteine solubili nella matrice extracellulare.

Il processo è Ca++ dipendente ed è mediato dai microfilamenti di actina . Il processo , infatti, è inibito dal veleno actinico, la citocalasina .

La esocitosi può essere:

• regolata (via della secrezione regolata);
• costituiva (via della secrezione costitutiva).

In figura: Trasporto vescicolare tra RER e Golgi, tra le cisterne golgiane e tra il TGN golgiano, la membrena plasmatica (esocitosi) e i lisosomi. Immagine modificata da Some example of membrane structure formation of biological relevance

Esocitosi – Secrezione costitutiva

I meccanismi del processo della secrezione costitutiva non sono ben noti. Le vescicole di secrezione che gemmano dal TGN golgiano sono rivestite da particolari proteine di rivestimento, i coatomeri. Le vescicole gemmano ininterrottamente dal TGN, si fondono con la membrana plasmatica e riversano le glicoproteine in esse contenute nel lume nella matrice extracellulare. Tale modalità di esocitosi è denominata “secrezione costitutiva” ed avviene in tutti i tipi cellulari, ad esempio i fibroblasti (esocitosi costitutiva di fibre collagene,di fibronectina, di GAG, ect).

Immagine modificata  da Organitos Membranares

Esocitosi -Secrezione regolata

Nella secrezione regolata le vescole che gemmano dal TGN golgiano sono rivestite da clatrina. Le vescicole si accumulano nel citoplasma, per poi fondersi tra loro e accumularsi nel citoplasma. Le vescicole vengono successivamente rilasciate in seguito a specifici segnali provenienti dalla matrice extracellulare.
Tale modalità di Esocitosi è denominata “secrezione regolata”. E’ tipica delle cellule degli epiteli ghiandolari sia endocrini (secrezione regolata di ormoni) sia esocrini ( esocitosi di muco, siero, ect) .

La via della secrezione regolata è segnalata da specifiche coppie di proteine transmembrana della famiglia SNARE , le v-SNARE sulle vescicole e le t-SNARE sulla membrana plasmatica. Le proteine SNARE vengono attivate in seguito all’aumento della concentrazione di ioni Ca⁺⁺, il cui rilascio è mediato da specifici stimoli.

Immagine modificata da Retículo endoplasmático

Endocitosi -generalità

L’endocitosi è il processo tramite il quale le cellule importano macromolecole o materiale particolato.

Il processo avviene tramite invaginazione della membrana plasmatica a formare vescicole che trasportano il materiale dall’esterno all’interno della cellula.

L’endocitosi è distinta in:

• Endocitosi propriamente detta (riguarda l’importo di materiale fluido o di soluti);
• Fagocitosi (riguarda l’importo di materiale particolato voluminoso, anche intere cellule o microorganismi).

Immagine da Endocytosis

Endocitosi propriamente detta

L’endocitosi propriamente detta avviene in tutte le cellule; è un processo complesso ed è finemente regolato.
In base al meccanismo con in quale si formano le vescicole endocitotiche si distinguono almeno 4 tipi di endocitosi propriamente detta:

• la macropinocitosi;
• l’endocitosi mediata da clatrina;
• l’endocitosi mediata da caveolina;
• l’endocitosi clatrina e caveolina indipendente (è stata rilevata nei neuroni e cellule neuroendocrine, ma, probabilmente è presente in altri tipi cellulari. I meccanismi alla base di tale processo sono poco noti).

Macropinocitosi

La macropinocitosi avviene in molti tipi cellulari, quali ad esempio i macrofagi.

La macropinocitosi inizia con la formazione di estese protrusioni della membrana plasmatica, sostenute da elementi citoscheletrici actinici. Le protrusioni si fondono quindi con la stessa membrana a formare grosse vescicole endocitotiche contenenti materiale extracellulare.

Endocitosi mediata da clatrina

L’endocitosi mediata da clatrina è il processo tramite il quale le cellule importano nutrienti e molecole regolatorie. Il processo è altamente selettivo e (1) inizia con il riconoscimento tra le molecole da importare (ligando) con gli specifici recettori presenti sulla membrana plasmatica; segue (2) l’accumulo dei recettori+ligando in punti specifici della specifici della membrana, noti come fossette rivestite da clatrina ; (3, 4 e 5) la formazione della vescicola endocitotica rivestita da clatrina è mediata da elementi citoscheletrici actinici; (6) appena formata la vescicola perde il rivestimento di clatrina (riciclo della clatrina) con la formazione di vescicola non rivestita, che si fonderà successivamente con un endosoma a formare l’endosoma precoce.

In figura: Micrografie elettroniche (a sinistra) e loro schematizzazione (a destra) della formazione delle vescicole rivestite da clatrina. Immagini da Magnetic nanoparticles: Magnetic nanoparticles:  applications and cellular uptakeapplications and cellular uptake e da Cellular Ultrastructure

Clatrina

La clatrina consiste di sei catene polipeptidiche (tre grandi e tre piccole), che formano strutture note come trischelion.
I trischelion polimerizzano a formare elementi esagonali e pentagonali, noti come canestri o panieri di clatrina, che avvolgono la vescicola endocitotica.

In figura: Micrografie elettroniche,con rappresentazione schematica della stuttura e
polimerizzazione a formare i panieri di clatrina.  Immagini da Receptor-Mediated Endocytosis: The Events

Assemblaggio e dis-assemblaggio del rivestimento di clatrina

Il legame tra il recettore e ligando permette che si legano a cascata al recettore le adattine e a queste i trischeli di clatrina. In tal modo le molecole di ligando vengano selettivamente accumulate nella vescicola. Il distacco delle vescicole gemmanti dalla membrana plasmatica avviene grazie alla proteina dinamina. Si forma la vescicola rivestita, la quale poco dopo perde il rivestimento di clatrina e diventa la vescicola non rivestita. La clatrina è riciclata sotto la membrana a costituire la fossetta rivestita.

Immagine da L’apparato del Golgi

Il ruolo della dinamina nel distacco delle vescicole rivestite di clatrina

La dinamina si avvolge a spirale intorno al collo delle vescile rivestite da clatrina mediandone il distacco dalla membrana plasmatica.

In figura: Micrografia elettronica e figura schematica di  vescicole rivestite da clatrina che gemmano  dalla membrana plasmatica.  Immagine da L’apparato del Golgi

Formazione dell’endosoma precoce e riciclaggio dei recettori

La vescicola rivestita poco dopo la sua formazione perde il rivestimento di clatrina e diventa “vescicola non rivestita”. La clatrina è riciclata sotto la membrana plasmatica, mentre la vescicola non rivestita si fonde con un endosoma a formare l’endosoma precoce.

Gli endosomi sono vescicole che gemmano dal TGN golgiano e si localizzano in prossimità della membrana plasmatica. Il pH nell’endosoma è leggermente acido, circa 6.4, e ciò fa perdere l’affinità tra le molecole di ligando e dei recettori (alcuni autori indicano tale evento come CURL, disaccoppiamento recettore- ligando)
I recettori per i nutrienti, quali ad esempio quelli per le LDL e la transferrina ( che consentono l’incorporazione, del colesterolo e del Fe⁺⁺, rispettivamente) vengono riciclati alla membrana plasmatica (Figura a lato). Altri recettori, ad esempio quelli per i fattori di crescita non vengono riciclati e saranno, pertanto, degradati insieme al ligando nei lisosomi ( vedi più avanti ).

Formazione degli endosomi tardivi e dei lisosomi maturi

Con la perdita dei recettori l’endosoma precoce matura in endosoma tardivo, il quale fonde con i lisosomi primari e diventa lisosoma maturo. Qui , avviene la degradazione dei ligandi.

Il pH si abbassa progressivamente dall’endosoma precoce al lisosoma maturo grazie all’attività di pompe protoniche presenti nella membrana dell’endosoma.

Endocitosi di nutrienti e di fattori di crescita clatrino-mediata

Nell’endocitosi delle LDL vengono recuperati i recettori di tali particelle, mentre nei lisosomi viene degradata sia la componete proteica (l’apolipoproteina) sia quella lipidica (trigliceridi, esteri di colesterolo).
Nell’endocitosi della transferrina, vengono riciclati dall’endosoma precoce i recettori con la transferrina ad essi adesi, mentre il Ferro⁺⁺ è rilasciato.
Nell’endocitosi dei fattori di crescita vengono eliminati sia i recettori che i fattori di crescita.

In figura: Endocitosi mediata da clatrina di nutrienti (colosterolo e Ferro ⁺⁺) e degradazione di recettori di fattori di crescita ( EGF). Immagine da Cellular Ultrastructure

Formazione di corpi multivescicolari e degradazione dei recettori e ligandi nei lisosomi

Una via utilizzata dalle cellule per ridurre l’espressione dei fattori di crescita quali ad esempio quelli insulin-like o quelli EGF (Epitelial Growth Factor) è di operare la loro degradazione nei lisosomi.
Nell’endosoma precoce i recettori con il ligando vengono inclusi in vescicole che formano i corpi multivescicolari.

Degradazione dei recettori e ligandi nei lisosomi

I corpi multivescicolari fondono con i lisosomi primari, che gemmano dal TGN golgiano. Le proteine lisosomiali degradano sia i ligandi (il fattore di crescita) sia i loro recettori.

Endocitosi mediata da caveolina

Le caveole sono piccole invaginazioni della membrana plasmatica, a forma di fiasca, presenti in molti tipi cellulari ma particolarmente abbondanti nelle cellule endoteliali.
Le caveole sono coinvolte nella interiorizzazione di componenti della membrana plasmatica, di ligandi extracellulari, di tossine batteriche.
Le caveole si formano in corrispondenza di regioni della membrana plasmatica ricche di colesterolo e sfingolipidi (zattere lipidiche).
Le caveole sono rivestite da caveolina una proteina dimerica che lega il colesterolo inserendosi in tal modo nella membrana plasmatica.
L’endocitosi è mediata dalla dinamina e da microfilamenti actinici.
In figura: A) Superficie interna della membrana plasmatica dopo rapid freeze- deep ethcing in cui si osservano numerose cavelole (frecce rosse) e una vescicola rivestita da clatrina (freccia verde). B) schema di una caveola. Immagini da Magnetic nanoparticles: Magnetic nanoparticles:  applications and cellular uptakeapplications and cellular uptake

Endocitosi mediata da caveoline

Una volta formatesi, le caveole riversano il materiale in esse contenuto nei caveosomi, i quali differiscono dagli endosomi sia per il pH sia per il contenuto enzimatico. Dai caveosomi il materiale endocitato è poi smistato, tramite vescicole di trasporto, o al Golgi o al Reticolo endoplasmatico rugoso, dove viene modificato dagli enzimi in essi contenuti.

Confronto tra l’endocitosi mediata da Clatrina e da caveolina

La principale differenza tra l’endocitosi mediata da clatrina e quella mediata da caveolina è che nella prima il materiale interiorizzato è destinato ad essere degradato nei lisosomi; nell’endocitosi mediata da caveolina il materiale interiorizzato è smistato al Golgi o al RER dove è opportunamente modificato dagli enzimi residenti in tali organelli.

Immagini da Magnetic nanoparticles: Magnetic nanoparticles:  applications and cellular uptakeapplications and cellular uptake

Fagocitosi

La fagocitosi è il meccanismo con cui vengono distrutti microrganismi, detriti cellulari e cellule apoptotiche.
La fagocitosi rappresenta il meccanismo con cui si nutrono i protozoi. Negli organismi più complessi la fagocitosi è soprattutto un meccanismo di difesa ed è svolto da cellule specializzate quali i macrofagi, i neutrofili e le cellule dentritiche.

Gli eventi della fagocitosi iniziano con:

• il riconoscimento del materiale da interiorizzare da parte di specifici recettori di membrana;
• la Riorganizzazione del citoscheletro di actina e formazione del fagosoma;
• la fusione del fagosoma dapprima con un endosoma e poi un lisosoma primario;
• la formazione del fagolisoma dove avviene la digestione del materiale interiorizzato.

Immagine modificate da L’apparato del Golgi

Autofagia

L’autofagia è un meccanismo, evolutivamnete conservato, che ha l’importante funzione di eliminare gli organelli superflui o danneggiati (ad esempio mitocondri parte di RER o REL, perossisomi) o proteine enziamtiche e strutturali danneggiate. L’autofagia, pertanto ha l’importante ruolo di bilanciare (omeostasi) la biogenesi di nuove strutture cellulari e la loro rimozione.
L’autofagia è un processo regolato; è attivato da specifici segnali ormonali o dalla carenza di aminoacidi nella cellula.
Il processo autofagico inizia con il:

• segnale che induce la formazione della membrana di isolamento (una doppia membrana in crescita).
• La membrana di isolamento avvolge una regione citoplasmatica, formando una vescicola circondata da una doppia membrana, denominata autofagosoma o vacuolo autofagico.
• L’autofagosoma fonde con un endosoma, formando l’anfisoma.
• L’anfisoma fonde con i lisosomi primari e forma l’autolisosoma, dove il materiale è degradato.

Immagine modifica da Autophagy  in neurodegeneration

Le tre vie di degradazione da parte dei lisosomi

I processi della fagocitosi, dell’endocitosi (clatrina-mediata) e dell’autofagia conducono tutte alla formazione di lisosomi, con una tappa intermedia, comune ai tre processi, che prevede la fusione con un endosoma tardivo.
Immagine da L’apparato del Golgi.

Transcitosi

La transcitosi è un trasporto vescicolare utilizzato dagli organismi pluricellulari per trasportare selettivamente macromolecole tra due ambienti delimitati da una cellula polarizzata, ad esempio tra la superficie apicale e basolaterale di una cellula dell’epitelio intestinale, oppure il trasporto di macromoelcole operato dalle cellule endoteliali dai tessuti al sangue e viceversa.

Il processo della transcitosi ha tappe in comune con l’endocitosi clatrina-mediata.
Le vescicole endocitotiche perso il rivestimento di clatrina fondono con particolari endosomi apicali (o basolaterali), gli endosomi di smistamento apicali (o basolaterali) i quali trasferiscono il materiale a endosomi riciclanti basolaterali (o apicali). Questi fondono con la membrana basale o apicale e riversano le macromolecole nel versante opposto basale (o apicale).

In figura: Schema della trancitosi di immunoglobuline dalla superficie apicale a  quella basoletarale di una cellula polarizzata dell’intestino. Immagine da Protein Targeting