Prolévání disku - Disc shedding

Prolévání disku je proces, kterým se obnovují fotoreceptory v oku. The sítnice obsahuje dva typy fotoreceptor – tyčové buňky a kuželové buňky. Existuje asi 6–7 milionů čípků poskytujících oční barevné vidění a jsou velmi koncentrované v centrálním místě sítnice, které se říká makula. Pruty jsou však mnohem početnější - přibližně 120 milionů - a jsou také citlivější než kužely. Tyto pruty jsou zodpovědné za skotopický (noční) vidění, naše nejcitlivější detekce pohybu a naše periferní vidění.

Fotoreceptory obratlovců se skládají z fotocitlivého vnějšího segmentu, vnitřního segmentu, který obsahuje metabolický aparát buňky (endoplazmatické retikulum, golgiho komplex, ribozomy, mitochondrie ) a synaptický terminál, na kterém jsou navázány kontakty s neurony druhého řádu sítnice. Fotocitlivý vnější segment je spojen s vnitřním segmentem modifikovaným, nepohyblivým ciliem a sestává z řady diskrétních membránových disků, které jsou zjevně odvozeny z plazmatické membrány v oblasti spojujícího cilium.[1]

Formování a vylučování

Zatímco v tyči tyto disky postrádají jakékoli přímé spojení s povrchovou membránou (s výjimkou několika nedávno vytvořených bazálních disků, které zůstávají v kontinuitě s povrchem), fotocitlivá membrána kužele je spojitá s povrchovou membránou. Disky vnějšího segmentu (OS) jsou hustě zabalené rhodopsin pro vysoce citlivou detekci světla.[2] Tyto disky jsou zcela vyměňovány jednou za deset dní a tato nepřetržitá obnova pokračuje po celou dobu životnosti viděného zvířete.

Opsin je syntetizován na hrubém endoplazmatickém retikulu a je integrálním membránovým proteinem. Jeho signální peptid je na N-konci, ale není odštěpen. Protein je před translací na plazmatickou membránu kotranslačně glykosylován a jeho sacharidy jsou v Golgi modifikovány. Membrána invaginuje a disky se interně odlepují a tvoří pevně zabalené hromádky disků vnějšího segmentu. Od překladu opsinu po vytvoření disků trvá jen pár hodin.

Ve slavném článku z roku 1967 - Obnova vnějších segmentů fotoreceptorových buněk[3] - Profesor Richard Young popsal svá pozorování, že nové disky se shromažďují na základně vnějšího segmentu - ciliárního plazmalemmy - začleněním proteinů a lipidů, které jsou syntetizovány a transportovány z vnitřního segmentu. Disky dozrávají spolu s jejich distální migrací; staré disky se vrhají na distální špičku a jsou pohlceny sousedními pigmentovými epiteliálními buňkami sítnice pro degradaci.[2]

Zatímco mnoho dalších enzymů a metabolicky aktivních proteinů se nakonec převrátí, fotoreceptory vylučují konce svých vnějších segmentů denně. Každý den se ztratí přibližně jedna desetina délky vnějšího segmentu, takže po deseti dnech byl celý vnější segment vyměněn. V experimentu pulzního pronásledování Young a jeho spolupracovníci prokázali migraci nově syntetizovaného opsinu z řasnatého stonku na konec vnějšího segmentu, který je nakonec fagocytován RPE buňka. Na každém kroku jsou zahrnuty regulační faktory. Zatímco sestava disku je většinou geneticky řízená, vylučování disku a následné RPE Zdá se, že fagocytóza je regulována faktory prostředí, jako je světlo a teplota.[4]

Cirkadiánní rytmy toto použití neuromodulátory jako je adenosin, dopamin, glutamát, serotonin a melatonin, rytmicky kontrolují vylučování disku. Endogenní dopamin a melatonin se zdají být zejména světelným a tmavým signálem. Jejich způsob působení je jednoduše následující: melatonin aktivuje vylučování disků tyčového fotoreceptoru. Je syntetizován fotoreceptory v noci a je inhibován světlem a dopaminem. Působí opačným způsobem, dopamin, který je syntetizován amakrinními a interplexiformními buňkami, je stimulován světlem a inhibován temnotou a melatoninem. Je důležité si uvědomit, že kvůli těmto rytmům se disky vnějších segmentů tyče vylučují na počátku světla (ráno) a vnější segmenty kuželu se vylučují na počátku temnoty (za soumraku), oba cirkadiánní procesy.[5]

Tradiční teorie o mechanismu vylučování disku

Jedna šedá oblast v celém mechanismu vylučování disku vnějšího segmentu spočívá v tom, co přesně spouští oddělení disků a jak jsou transportovány z OS a fagocytovány buňkami RPE.

Dr. Young a jeho tým mimo jiné pozorovali oddělení disku od OS tyče a prostřednictvím morfologických studií naznačili, že oddělení disku předcházelo zaplavení [3][6] a že aktivní proces v distálním hrotu vnějšího segmentu tyčinky (ROS) vymezuje místo připojení.

V článku z roku 1986 však profesor Emory Dr. Besharse a jeho tým navrhli, že rozdíl mezi procesy oddělování disku a fagocytózy byl nejednoznačný pozorováním procesů pigmentového epitelu zasahujících do OS během oddělování disku. Dokumentovali ultrastrukturální změny, ke kterým dochází ve fotoreceptorovém OS a RPE během fotocitlivého obratu membrány. Vyvolávali vylučování u Xenopus laevis přidáním excitační aminokyseliny L-aspartátu. Zjistili, že během vylučování vyvolaného L-aspartátem vytvořily RPE buňky na svých apikálních doménách dříve nepopsané procesy, které se přímo účastnily diskové fagocytózy. Tyto procesy byly strukturně podobné procesům vytvořeným makrofágy během fagocytóza a byly proto označovány jako pseudopodia. Zatímco pseudopodiální formace se vyskytovala také během normálního vylučování iniciovaného světlem, nízká frekvence vylučování, asynchronie jednotlivých vylučovacích událostí a přechodný výskyt pseudopodie zabránily úplnému zhodnocení jejich role během normálního seskupování disku. Tým uvedl, že tyto pseudopodie byly organely fagocytózy a že mohou hrát roli také v oddělení disku.

Kromě toho byla navržena interakce fotoreceptor-RPE, která hraje roli při určování domén, které by se oddělily od OS.

Další časná teorie navrhovaná Dr. Youngem byla, že na rozdíl od prutů zralé kužely ani neshromažďují nové disky, ani nevylévají staré a místo nich nahrazují pouze některé jejich molekulární složky. Tato myšlenka vyplynula z pozorování, že pás radioaktivního proteinu, který injikovali do dvou fotoreceptorových buněk, se objevil na základně tyčí během několika hodin, ale pomalu difundoval skrz OS. Tato teorie zase vedla k navrhovanému rozlišení mezi pruty a kužely na základě toho, zda byly vnější segmenty obnoveny membránovou náhradou nebo molekulární náhradou. To bylo podpořeno některými nálezy, které ukázaly absenci fagozomy v rámci RPE několika druhů dominujících kuželem. Týmy vědců, včetně týmu Dr. Steinberga, však brzy přinesly důkaz, že alespoň některé savčí kužely, stejně jako jejich protějšky z prutů, se i nadále shromažďují a vrhají své disky jako normální probíhající proces.[6] Kužel vizuální pigment je zjevně založen na apoproteinové složce podobné tyčinkovému opsinu, který se převrací jako součást membránového systému OS.[1]

Nedávný výzkum mechanismu vylučování disku

Dokument z roku 2007 nabízí třetí novou teorii, která staví na nedávných důkazech, které naznačují, že myši s nedostatkem rhodopsinu nevyvíjejí OSS.[7][8] Vědci z Cornellu předpokládali, že rhodopsin má sám o sobě roli v biogenezi OS, kromě své role jako fototransdukčního receptoru.[2] Zatímco molekulární základ, který je základem účasti rhodopsinu na vývoji OS, není znám, objevující se důkazy naznačují, že cytoplasmatický C-koncový konec rhodopsinu nese „adresový signál“ pro jeho transport z místa syntézy v těle prutové buňky do OS.[9][10]

Regulace intracelulárního přenosu membrán interakcemi protein-lipid získává stále větší pozornost. Slavným příkladem je schopnost schopnosti EEA1 (časný endozomální antigen 1) upoutat váčky a regulovat sestavení komplexu SNARE (rozpustný NSF připojovací receptor) k podpoře fúze endocytické membrány.[11][12]

Podobně výzkumníci Weill Cornell vynulovali kotvu SARA - Smad pro aktivaci receptoru, což je také protein domény FYVE umístěný v časných endosomech. Kombinovali různé přístupy u savčích fotoreceptorů, aby prokázali, že C-terminální ocas rhodopsinu funkčně interaguje se SARA, čímž reguluje cílení těchto vezikul na rodící se disky na bázi OS. Začlenění vezikulů rhodopsinu do disků dokončuje cílení rhodopsinu na OS a přímo se účastní biogeneze disku.

Pozorujte, jak Besharse a další navrhli modely založené na morfologických studiích pomocí rychlého zmrazení, hlubokého leptání a dalších technik, které naznačují, že tubulární vezikuly jsou odvozeny z internalizované distální ciliární membrány a / nebo velmi bazální OS plazmatické membrány.[13][14] Vědci z Cornellu však naznačují, že některé z axonemálních váčků byly přímo odeslány z IS prostřednictvím spojovacího cilium, protože v spojovacím ciliu a bazálním těle byla detekována SARA, která pravděpodobně sloužila jako adaptační protein podílející se na translokaci rhodopsinu.

Reference

  1. ^ A b Besharse, J.C., & Pfenninger, K.H. (1980). „Sestava membrány ve fotoreceptorech sítnice: I. Analýza cytoplasmatických váčků mražením a lomem ve vztahu k sestavě disku“, The Journal of Cell Biology, 87, 451-463.
  2. ^ A b C Chuang, J., Zhao, Y., & Sung, C. (2007). „SARA-regulované vezikulární cílení je základem tvorby organely snímající světlo v savčích prutech“, Cell, 130, 535-547.
  3. ^ A b Young, R.W. (1967). „Obnova vnějších segmentů fotoreceptorů“. The Journal of Cell Biology. 33 (1): 61–72. doi:10.1083 / jcb.33.1.61. PMC  2107286. PMID  6033942.
  4. ^ Nguyen-Legros, J., & Hicks, D. (2000). „Obnova vnějších segmentů fotoreceptorů a jejich fagocytóza retinálním pigmentovým epitelem“, International Review of Cytology, 196, 245-313.
  5. ^ LaVail, M.M. (1980). „Cirkadiánní povaha vylučování disku vnějšího segmentu tyče u krysy“, Investigative Ophthalmology & Vision Science, 19 (4), 407-411.
  6. ^ A b Anderson, D.H., Fisher, S.K., a Steinberg, R.H. (1978). „Savčí kužely: vylučování disku, fagocytóza a obnova“, Investigative Ophthalmology & Visual Science, 17 (2), 117-33.
  7. ^ Humphries, M. M., Rancourt, D., Farrar, G. J., Kenna, P., Hazel, M., Bush, R.A., et al. (1997). "Retinopatie indukované u myší cíleným narušením genu pro rhodopsin ", Nat. Genet., 15, 216-219.
  8. ^ Lem, J., Krasnoperova, N.V., Calvert, P.D., Kosaras, B., Cameron, D.A., Nicolo, M. a kol. (1999). „Morfologické, fyziologické a biochemické změny u myší s vyřazeným rodopsinem“, Proč. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 736-741.
  9. ^ Tai, A.W., Chuang, J.-Z., Bode, C., Wolfrum, U., & Sung, C.-H. (1999). „Karboxyterminální cytoplazmatický konec roduopsinu působí jako membránový receptor pro cytoplazmatický dynein vazbou na lehký řetězec dyneinu Tctex-1“, Cell, 95, 779-791.
  10. ^ Deretic, D., Williams, A.H., Ransom, N., Morel, V., Hargrave, P.A, & Arendt, A. (2005). „Terminál Rhodopsin C, místo mutací způsobujících onemocnění sítnice, reguluje obchodování navázáním na ADP-ribosylační faktor 4 (ARF4)“, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 3301-3306.
  11. ^ Christoforidis, S., McBride, H.M., Burgoyne, R.D., & Zerial, M. (1999). „Rab5 efektor EEA1 je základní složkou dokování endosomů“, Nature, 297, 621-625.
  12. ^ Simonsen, A., Gaullier, J.M., D’Arrigo, A. a Stenmark, H. (1999). „Rab5 efektor EEA1 interaguje přímo se syntaxinem-6“, Journal of Biological Chemistry, 274, 28857-28860.
  13. ^ Miyaguchi, K., & Hashimoto, P.H. (1992). „Důkazy o transportu opsinu ve spojovacím ciliu a vnějším segmentu bazální tyčinky v sítnici potkana: studie značení peroxidázou s rychlým zmrazením, hlubokým leptáním a křenem“, Journal of Neurocytology, 21, 449-457.
  14. ^ Obata, S., & Usukura, J. (1992). „Morfogeneze vnějšího segmentu fotoreceptorů během postnatálního vývoje v myší (BALB / C) sítnici“, Cell Tissue Res. 269, 39-48.