Endocitoza: ce este, tipuri, functii, reglare si impact in boli

Există mai multe tipuri de endocitoză, inclusiv fagocitoza, pinocitoza și endocitoza mediată de receptori, fiecare având mecanisme moleculare distincte și funcții fiziologice specifice. Disfuncțiile în procesele endocitare sunt asociate cu diverse boli, de la tulburări metabolice precum hipercolesterolemia familială până la boli neurodegenerative și infecții virale.

Ce este endocitoza?

Endocitoza reprezintă un proces celular esențial prin care materialele extracelulare sunt transportate în interiorul celulei prin invaginarea membranei plasmatice. Acest mecanism fundamental permite celulelor să interacționeze cu mediul înconjurător, să absoarbă nutrienți și să regleze compoziția membranei.

Definiție și mecanism de bază: Endocitoza este procesul activ prin care celulele formează vezicule interne prin invaginarea membranei plasmatice, permițând absorbția diverselor molecule și macromolecule din fluidul extracelular. În timpul acestui proces, porțiuni ale membranei celulare se îndoaie spre interior, formând o invaginație care ulterior se desprinde pentru a crea o veziculă endocitară ce conține materialul ingerat. Aceste vezicule sunt apoi direcționate către diverse compartimente intracelulare pentru procesare ulterioară, inclusiv endozomi timpurii, endozomi tardivi și lizozomi.

Importanța în funcția celulară: Endocitoza joacă roluri cruciale în numeroase procese celulare vitale. Aceasta permite absorbția nutrienților esențiali, reglează densitatea receptorilor de pe suprafața celulei, mediază comunicarea intercelulară și participă la răspunsurile imune prin internalizarea agenților patogeni. De asemenea, endocitoza este implicată în modularea căilor de semnalizare celulară, în menținerea homeostaziei membranei și în procesele de dezvoltare și diferențiere celulară. Fără endocitoză, celulele nu ar putea interacționa eficient cu mediul lor și nu ar putea menține funcțiile lor esențiale.

Cerințe energetice: Endocitoza este un proces activ care necesită energie sub formă de ATP (adenozin trifosfat). Energia este utilizată în multiple etape ale procesului, inclusiv pentru remodelarea citoscheletului în timpul formării veziculelor, pentru activarea proteinelor implicate în scindarea veziculelor de la membrana plasmatică și pentru transportul veziculelor endocitare în interiorul celulei. Proteinele motoare precum dinaminele și kinezinele utilizează ATP pentru a facilita transportul veziculelor de-a lungul citoscheletului. Această dependență de energie diferențiază endocitoza de procesele pasive de transport membranar, cum ar fi difuzia simplă.

Comparație cu alte mecanisme de transport: Spre deosebire de transportul mediat de proteine transportoare sau canale, care permit trecerea moleculelor mici direct prin membrana plasmatică, endocitoza facilitează internalizarea particulelor mari și a macromoleculelor. În timp ce difuzia facilitată și transportul activ implică mișcarea substanțelor prin membrana celulară fără modificarea structurii membranei, endocitoza implică remodelarea fizică a membranei plasmatice pentru a forma vezicule. Exocitoza reprezintă procesul opus endocitozei, implicând fuziunea veziculelor intracelulare cu membrana plasmatică pentru a elibera conținutul în mediul extracelular, menținând astfel echilibrul între adăugarea și îndepărtarea membranei celulare.

Tipuri de endocitoză

Endocitoza cuprinde mai multe mecanisme distincte prin care celulele internalizează materialele din mediul extracelular. Aceste procese diferă în funcție de dimensiunea particulelor ingerate, mecanismele moleculare implicate și funcțiile specifice pe care le îndeplinesc în fiziologia celulară.

Fagocitoza („Mâncarea celulară”): Fagocitoza reprezintă procesul prin care celulele specializate, numite fagocite, internalizează particule mari precum microorganisme, celule moarte sau resturi celulare. Acest proces începe cu recunoașterea particulei țintă de către receptori specifici de pe suprafața celulei fagocitare. Odată recunoscută particula, membrana celulară formează extensii numite pseudopode care înconjoară particula, creând un fagozom. Fagozomul fuzionează ulterior cu lizozomii, formând un fagolizozom în care conținutul este degradat de enzimele lizozomale. Fagocitoza este esențială pentru funcționarea sistemului imunitar, în special pentru macrofage și neutrofile, care elimină agenții patogeni și celulele moarte din organism.

Pinocitoza („Băutul celular”): Pinocitoza este procesul prin care celulele internalizează lichide și solubili din mediul extracelular. Spre deosebire de fagocitoză, pinocitoza implică formarea unor vezicule mai mici și nu necesită recunoașterea specifică a materialului ingerat. Există două forme principale: micropinocitoza, care implică vezicule cu diametrul sub 0,1 microni, și macropinocitoza, care implică vezicule mai mari (0,5-5 microni). Macropinocitoza este caracterizată prin formarea unor ondulații ale membranei plasmatice care se închid pentru a capta fluidul extracelular. Pinocitoza este un proces constitutiv în majoritatea celulelor și joacă un rol important în absorbția nutrienților și în monitorizarea mediului extracelular.

Endocitoza mediată de receptori: Acest tip de endocitoză implică internalizarea selectivă a macromoleculelor specifice care se leagă de receptori de pe suprafața celulei. Procesul începe cu legarea ligandului de receptorul său specific, care este concentrat în regiuni specializate ale membranei plasmatice numite gropi acoperite cu clatrina. Aceste regiuni se invaginează și formează vezicule acoperite cu clatrina care conțin complexele receptor-ligand. După internalizare, veziculele își pierd învelișul de clatrina și fuzionează cu endozomii timpurii. Endocitoza mediată de receptori permite celulelor să concentreze și să internalizeze selectiv molecule specifice, precum lipoproteinele cu densitate scăzută (LDL) sau transferina, chiar și atunci când acestea sunt prezente în concentrații scăzute în mediul extracelular.

Endocitoza mediată de caveole: Caveolele sunt invaginații mici (50-100 nm) în formă de flacon ale membranei plasmatice, bogate în colesterol și sfingolipide. Proteina principală din caveole este caveolina, care leagă colesterolul și stabilizează structura caveolei. Endocitoza mediată de caveole este implicată în internalizarea anumitor molecule de semnalizare, toxine și virusuri. Spre deosebire de endocitoza mediată de clatrina, caveolele pot rămâne atașate de membrana plasmatică pentru perioade mai lungi înainte de internalizare. Acest tip de endocitoză joacă roluri importante în transcitoza moleculelor prin celulele endoteliale, în semnalizarea celulară și în homeostazia colesterolului.

Căi independente de clatrina: Pe lângă căile clasice de endocitoză, cercetările recente au identificat multiple căi independente de clatrina și caveolina. Aceste căi sunt diverse și implică diferite proteine și lipide. Ele includ endocitoza dependentă de RhoA, endocitoza dependentă de Arf6 și calea CLIC/GEEC (transportori independenți de clatrina/compartimente endozomale timpurii îmbogățite cu GPI). Aceste căi alternative sunt implicate în internalizarea anumitor toxine, factori de creștere și proteine ancorate în GPI. Ele oferă celulelor flexibilitate în răspunsul la diverse semnale externe și în reglarea compoziției membranei plasmatice.

Procesul de endocitoză

Endocitoza este un proces dinamic și complex care implică o serie de etape coordonate, de la invaginarea inițială a membranei plasmatice până la sortarea și procesarea materialului internalizat în compartimentele endozomale.

Invaginarea membranei: Procesul de endocitoză începe cu o deformare localizată a membranei plasmatice, care se îndoaie spre interior pentru a forma o invaginație. Această etapă este inițiată de diverse proteine adaptoare și proteine de acoperire, în funcție de tipul specific de endocitoză. În endocitoza mediată de clatrina, proteinele adaptoare precum complexul AP-2 recrutează clatrina la suprafața internă a membranei plasmatice. Clatrina se asamblează într-o structură tridimensională în formă de coș, care induce și stabilizează curbura membranei. În cazul caveolelor, proteina caveolina leagă colesterolul și induce formarea unor invaginații în formă de flacon. Remodelarea membranei necesită și participarea citoscheletului de actină, care generează forțele mecanice necesare pentru deformarea membranei.

Formarea veziculelor: După invaginarea membranei, următoarea etapă implică constricția gâtului invaginației și scindarea acesteia pentru a forma o veziculă independentă în citoplasmă. Acest proces este mediat de proteine specializate, în special de GTPaza dinamina. Dinamina formează un inel în jurul gâtului veziculei în formare și, prin hidroliza GTP, generează forța necesară pentru constricția și scindarea membranei. Alte proteine, cum ar fi amfifizina și endofilin, contribuie la acest proces prin recrutarea dinaminei și prin inducerea curburii membranei. Odată formată, vezicula endocitară este eliberată în citoplasmă și își pierde rapid învelișul proteic (în cazul veziculelor acoperite cu clatrina), devenind o veziculă neacoperită care poate fuziona cu compartimentele endozomale.

Internalizarea și traficul: După formarea și eliberarea în citoplasmă, veziculele endocitare sunt transportate către diverse compartimente intracelulare. Acest transport este facilitat de citoscheletul celular, în special de microtubuli și filamentele de actină. Proteinele motoare precum dineinele și kinezinele utilizează energia din hidroliza ATP pentru a deplasa veziculele de-a lungul microtubulilor. Direcția și destinația veziculelor sunt determinate de proteine specifice de pe suprafața veziculelor, inclusiv proteine Rab și SNARE. Aceste proteine asigură specificitatea în recunoașterea și fuziunea veziculelor cu compartimentele țintă corecte, prevenind fuziunea nespecifică și menținând organizarea compartimentelor celulare.

Fuziunea cu endozomii: Veziculele endocitare fuzionează în principal cu endozomii timpurii, care servesc ca primă stație de sortare în calea endocitară. Fuziunea este mediată de proteine SNARE complementare prezente pe membranele veziculei și endozomului. Endozomii timpurii au un pH ușor acid (aproximativ 6,0-6,5), care facilitează disocierea multor liganzi de receptorii lor. Această disociere permite sortarea diferențiată a receptorilor și liganzilor. Receptorii pot fi reciclați înapoi la membrana plasmatică prin intermediul endozomilor de reciclare, în timp ce liganzii și alte materiale destinate degradării sunt transportate către endozomii tardivi și lizozomi. Procesul de fuziune este reglat de proteine Rab specifice, în special Rab5, care este un regulator cheie al fuziunii veziculelor endocitare cu endozomii timpurii.

Sortarea și procesarea: În endozomii timpurii, materialul internalizat este sortat pentru diferite destinații. Unele componente sunt direcționate către calea de degradare, care implică transportul către endozomii tardivi și apoi către lizozomi. Acest transport este mediat de proteine Rab specifice, în special Rab7. Endozomii tardivi au un pH mai acid (aproximativ 5,0-6,0) și conțin enzime hidrolizante care încep procesul de degradare. Fuziunea cu lizozomii, care conțin o gamă completă de enzime hidrolizante și au un pH de aproximativ 4,5-5,0, duce la degradarea completă a materialului. Alte componente, în special receptorii de membrană, sunt sortate către calea de reciclare, care le returnează la membrana plasmatică. Această sortare este mediată de semnale specifice în structura proteinelor și de mașinăria de sortare endozomală.

Mașinăria moleculară a endocitozei

Procesul de endocitoză este orchestrat de o rețea complexă de proteine și lipide care lucrează împreună pentru a facilita formarea veziculelor, transportul și fuziunea acestora cu compartimentele țintă.

Clatrina și proteinele adaptoare: Clatrina este o proteină structurală majoră implicată în formarea veziculelor acoperite în endocitoza mediată de receptori. Aceasta formează o structură tridimensională în formă de triskelion, compusă din trei lanțuri grele și trei lanțuri ușoare. Triskelioanele de clatrina se asamblează într-o rețea poligonală pe suprafața citosolică a membranei plasmatice, formând un înveliș care stabilizează curbura membranei. Proteinele adaptoare, precum complexul AP-2, joacă un rol crucial în recrutarea clatrinei la membrana plasmatică și în selecția cargoului pentru internalizare. AP-2 recunoaște semnale specifice în domeniile citoplasmatice ale proteinelor de membrană destinate endocitozei, asigurând astfel specificitatea procesului. Alte proteine adaptoare, cum ar fi AP180 și epsina, contribuie la recrutarea clatrinei și la inducerea curburii membranei.

Dinamina și sciziunea veziculelor: Dinamina este o GTPază mare care joacă un rol esențial în scindarea veziculelor endocitare de la membrana plasmatică. Aceasta formează un inel în jurul gâtului veziculei în formare și, prin hidroliza GTP, generează forța necesară pentru constricția și scindarea membranei. Dinamina interacționează cu diverse proteine, inclusiv amfifizina, endofilina și sortilina, care contribuie la recrutarea dinaminei la locurile de endocitoză și la reglarea activității sale. Scindarea veziculei este un proces complex care implică și remodelarea lipidelor membranare, în special a fosfoinozitidelor, care sunt modificate de kinaze și fosfataze lipidice pentru a regla recrutarea și activitatea proteinelor implicate în endocitoză.

Proteinele caveolina: Caveolina este proteina principală din caveole, invaginații mici în formă de flacon ale membranei plasmatice. Există trei izoformi ale caveolinei la mamifere: caveolina-1 și caveolina-2, exprimate în majoritatea celulelor, și caveolina-3, specifică mușchilor. Caveolina-1 este esențială pentru formarea caveolelor. Aceasta are o structură în formă de ac de păr care se inserează în membrana plasmatică, cu ambele capete orientate spre citoplasmă. Caveolina leagă colesterolul și induce curbura membranei necesară pentru formarea caveolelor. Alte proteine asociate cu caveolele includ cavina, care stabilizează structura caveolei, și dinamina, care mediază scindarea caveolelor de la membrana plasmatică. Caveolele sunt implicate în diverse procese celulare, inclusiv transcitoza, semnalizarea celulară și homeostazia lipidelor.

Proteinele Rab: Proteinele Rab formează cea mai mare familie de GTPaze mici și joacă roluri cruciale în reglarea traficului membranar, inclusiv în endocitoză. Acestea funcționează ca comutatoare moleculare, alternând între stările active legate de GTP și inactive legate de GDP. În starea activă, proteinele Rab recrutează efectori specifici care mediază diverse aspecte ale traficului vezicular, inclusiv formarea veziculelor, transportul, andocarea și fuziunea. Diferite proteine Rab sunt asociate cu compartimente specifice ale căii endocitare: Rab5 reglează fuziunea veziculelor endocitare cu endozomii timpurii, Rab7 mediază maturarea endozomilor timpurii în endozomi tardivi și transportul către lizozomi, iar Rab11 controlează reciclarea receptorilor înapoi la membrana plasmatică. Activitatea proteinelor Rab este reglată de factori de schimb de nucleotide guaninice (GEF), care promovează încărcarea GTP, și de proteine activatoare de GTPază (GAP), care stimulează hidroliza GTP.

Componentele citoscheletului: Citoscheletul celular, în special filamentele de actină și microtubulii, joacă roluri esențiale în endocitoză. Filamentele de actină contribuie la formarea și constricția invaginațiilor membranare în timpul formării veziculelor. Polimerizarea actinei generează forțele mecanice necesare pentru deformarea membranei și pentru deplasarea veziculelor nou formate în citoplasmă. Proteinele care leagă actina, cum ar fi cortactina și N-WASP, reglează dinamica actinei în locurile de endocitoză. Microtubulii, pe de altă parte, furnizează căile pentru transportul pe distanțe lungi al veziculelor endocitare către compartimentele intracelulare. Proteinele motoare asociate cu microtubulii, precum dineinele și kinezinele, utilizează energia din hidroliza ATP pentru a deplasa veziculele de-a lungul microtubulilor. Coordonarea între componentele citoscheletului asigură eficiența procesului de endocitoză și transportul corect al materialului internalizat.

Compartimentele endocitare

Calea endocitică cuprinde o serie de compartimente membranare distincte care procesează și sortează materialul internalizat, direcționându-l către destinații specifice în celulă.

Endozomii timpurii: Endozomii timpurii reprezintă primul compartiment al căii endocitare și principala stație de sortare pentru materialul internalizat. Aceștia sunt localizați în principal în periferia celulei și primesc veziculele endocitare provenite de la membrana plasmatică. Endozomii timpurii au o structură tubulo-veziculară caracteristică, cu vezicule sferice conectate la extensii tubulare, și mențin un pH ușor acid (aproximativ 6,0-6,5) datorită activității pompelor de protoni ATP-aze vacuolare. Acest mediu acid facilitează disocierea multor liganzi de receptorii lor, permițând sortarea lor diferențiată. Receptorii pot fi reciclați înapoi la suprafața celulei prin intermediul tubulilor endozomali, în timp ce liganzii și alte materiale destinate degradării sunt reținute în porțiunile veziculare ale endozomilor timpurii. Proteina Rab5 este un marker și regulator cheie al endozomilor timpurii, controlând fuziunea veziculelor endociare cu aceste compartimente.

Endozomii tardivi: Endozomii tardivi reprezintă un compartiment intermediar între endozomii timpurii și lizozomi. Aceștia sunt localizați mai aproape de nucleu și au un pH mai acid (aproximativ 5,0-6,0) decât endozomii timpurii. Endozomii tardivi primesc material de la endozomii timpurii prin intermediul veziculelor de transport și, de asemenea, primesc enzime hidrolizante nou sintetizate de la aparatul Golgi prin intermediul receptorilor de mannoză-6-fosfat. Aceștia conțin numeroase vezicule interne formate prin invaginarea membranei endozomale, dând naștere la structuri numite corpuri multiveziculare. Aceste vezicule interne conțin proteine de membrană destinate degradării. Proteina Rab7 este un marker specific pentru endozomii tardivi și reglează maturarea endozomilor timpurii în endozomi tardivi, precum și transportul către lizozomi. Endozomii tardivi joacă un rol important în sortarea proteinelor pentru degradare și în pregătirea materialului pentru digestia lizozomală.

Endozomii de reciclare: Endozomii de reciclare sunt compartimente specializate care mediază returnarea receptorilor și a altor proteine de membrană la suprafața celulei. Aceștia derivă din extensiile tubulare ale endozomilor timpurii și sunt localizați în principal în regiunea peri-centrozomală a celulei. Endozomii de reciclare au un pH mai puțin acid decât endozomii timpurii și sunt caracterizați de prezența proteinei Rab11. Există două căi principale de reciclare: calea de reciclare rapidă, care implică transportul direct de la endozomii timpurii la membrana plasmatică și este mediată de Rab4, și calea de reciclare lentă, care implică trecerea prin endozomii de reciclare și este mediată de Rab11. Reciclarea eficientă a receptorilor este esențială pentru menținerea sensibilității celulei la semnalele externe și pentru conservarea componentelor membranare valoroase.

Corpurile multiveziculare: Corpurile multiveziculare (MVB) sunt un tip specializat de endozomi caracterizați prin prezența numeroaselor vezicule interne formate prin invaginarea membranei limitante. Acestea reprezintă o etapă intermediară în maturarea endozomilor timpurii în endozomi tardivi. Formarea veziculelor interne în MVB implică mașinăria ESCRT (complexul de sortare endozomală necesar pentru transport), care recunoaște proteinele de membrană ubiquitinate și le încorporează în veziculele interne. Acest proces este esențial pentru degradarea proteinelor de membrană, deoarece orientează domeniile citoplasmatice ale acestor proteine către lumenul veziculelor, făcându-le accesibile enzimelor hidrolizante după fuziunea cu lizozomii. MVB joacă, de asemenea, un rol în biogeneza exozomilor, vezicule extracelulare eliberate când MVB fuzionează cu membrana plasmatică în loc să fuzioneze cu lizozomii.

Lizozomii: Lizozomii reprezintă compartimentul final al căii endocitare și principalul loc de degradare intracelulară. Aceștia sunt vezicule sferice cu un diametru de aproximativ 0,5-1,0 μm și mențin un pH foarte acid (aproximativ 4,5-5,0) datorită activității pompelor de protoni ATP-aze vacuolare. Lizozomii conțin peste 50 de enzime hidrolizante diferite, inclusiv proteaze, lipaze, nucleaze și glicozidaze, care pot degrada aproape toate macromoleculele biologice. Aceste enzime funcționează optim în mediul acid al lizozomilor, care protejează restul celulei de activitatea lor potențial dăunătoare. Lizozomii primesc material pentru degradare prin fuziunea cu endozomii tardivi și corpurile multiveziculare. Produsele degradării, cum ar fi aminoacizii, acizii grași și monozaharidele, sunt transportate în citoplasmă prin intermediul transportorilor specifici din membrana lizozomală, unde pot fi reutilizate de celulă. Disfuncțiile lizozomale pot duce la acumularea materialului nedegradabil, rezultând în boli de stocare lizozomală.

Funcțiile fiziologice ale endocitozei

Endocitoza îndeplinește o gamă largă de funcții esențiale în fiziologia celulară, de la absorbția nutrienților până la reglarea semnalizării celulare și a răspunsului imun.

Absorbția nutrienților: Endocitoza joacă un rol crucial în captarea nutrienților esențiali din mediul extracelular. Celulele utilizează diverse căi endocitare pentru a internaliza nutrienți precum lipide, proteine, vitamine și minerale. Un exemplu important este absorbția colesterolului prin endocitoza mediată de receptori pentru lipoproteinele cu densitate scăzută (LDL). Receptorii LDL de pe suprafața celulei leagă particulele LDL, care conțin colesterol și sunt internalizate prin vezicule acoperite cu clatrina. În endozomi, colesterolul este eliberat și utilizat de celulă, iar receptorii LDL sunt reciclați înapoi la suprafața celulei. În mod similar, transferina mediază absorbția fierului, iar receptorii pentru factori de creștere facilitează captarea aminoacizilor și glucozei. În celulele specializate, cum ar fi celulele epiteliale intestinale, endocitoza contribuie la absorbția nutrienților din lumenul intestinal în circulația sistemică.

Reglarea receptorilor: Endocitoza reprezintă un mecanism principal prin care celulele reglează numărul și activitatea receptorilor de pe suprafața lor. Acest proces, cunoscut sub numele de reglare negativă a receptorilor, permite celulelor să controleze sensibilitatea lor la semnalele extracelulare. Când un receptor leagă ligandul său, acesta poate fi internalizat prin endocitoză. În endozomi, receptorul poate fi fie reciclat înapoi la suprafața celulei, fie direcționat către lizozomi pentru degradare. Echilibrul între reciclare și degradare determină densitatea receptorilor la suprafața celulei și, prin urmare, sensibilitatea celulei la ligand. Acest mecanism este deosebit de important pentru receptorii factorilor de creștere, cum ar fi receptorul factorului de creștere epidermal (EGFR), a cărui activare prelungită poate duce la proliferare celulară necontrolată. Endocitoza și degradarea ulterioară a EGFR activat ajută la limitarea duratei semnalului și previn semnalizarea excesivă.

Modularea semnalizării celulare: Endocitoza nu doar reglează numărul receptorilor, ci și modulează calitatea și durata semnalelor generate de aceștia. Contrar viziunii tradiționale că endocitoza doar termină semnalizarea, cercetările recente au arătat că receptorii internalizați pot continua să semnalizeze din endozomi, generând semnale distincte de cele generate la suprafața celulei. Acest fenomen, cunoscut sub numele de semnalizare endozomală, extinde repertoriul de răspunsuri celulare la stimulii externi. De exemplu, receptorii factorilor neurotrofici internalizați formează „endozomi de semnalizare” care sunt transportați de-a lungul axonilor neuronilor pentru a transmite semnale de supraviețuire către corpul celular. În mod similar, receptorii pentru factorul de creștere transformant beta (TGF-β) generează semnale specifice din endozomi, care sunt esențiale pentru anumite răspunsuri transcripționale. Astfel, endocitoza nu doar reglează intensitatea semnalizării, ci și diversifică repertoriul de semnale generate de receptori.

Homeostazia membranei: Endocitoza și procesul complementar, exocitoza, lucrează împreună pentru a menține compoziția și suprafața membranei plasmatice. Celulele internalizează continuu porțiuni ale membranei lor prin endocitoză și adaugă membrane noi prin exocitoză. Acest ciclu de endocitoză-exocitoză permite celulelor să reînnoiască componența lipidică și proteică a membranei lor, să elimine proteinele deteriorate și să răspundă la schimbările din mediul lor. De exemplu, în timpul migrației celulare, endocitoza internalizează proteinele de adeziune de la marginea posterioară a celulei, în timp ce exocitoza adaugă proteine de adeziune noi la marginea anterioară, facilitând astfel mișcarea direcțională. În neuronii, reciclarea rapidă a membranei prin endocitoză este esențială pentru recuperarea veziculelor sinaptice după eliberarea neurotransmițătorilor, permițând transmiterea continuă a impulsurilor nervoase.

Funcțiile sistemului imunitar: Endocitoza joacă roluri multiple în funcționarea sistemului imunitar. Celulele imune specializate, cum ar fi macrofagele și celulele dendritice, utilizează fagocitoza pentru a internaliza și elimina agenții patogeni, celulele moarte și deșeurile celulare. După internalizare, agenții patogeni sunt degradați în fagolizozomi, iar fragmentele rezultate (antigene) sunt prezentate pe suprafața celulei pentru a activa alte celule imune. Acest proces, cunoscut sub numele de prezentare a antigenelor, este esențial pentru inițierea răspunsurilor imune adaptative. În plus, endocitoza mediată de receptori facilitează captarea complexelor antigen-anticorp de către celulele cu receptori Fc, contribuind la eliminarea agenților patogeni opsonizați. Endocitoza reglează, de asemenea, expresia receptorilor imuni pe suprafața celulelor, modulând astfel sensibilitatea lor la semnalele imune.

Transcitoza în celulele epiteliale: Transcitoza este un proces specializat de endocitoză prin care macromoleculele sunt transportate de la o suprafață a unei celule epiteliale polarizate la cealaltă. Acest proces este deosebit de important în barierele epiteliale, cum ar fi epiteliul intestinal, bariera hemato-encefalică și placenta, unde facilitează transportul selectiv al moleculelor specifice între compartimentele separate de barieră. De exemplu, în epiteliul intestinal, anticorpii IgA din lumenul intestinal sunt transportați prin transcitoză către circulația sistemică, mediată de receptorul polimeric al imunoglobulinelor. În mod similar, în celulele endoteliale ale barierei hemato-encefalice, transcitoza mediată de receptori facilitează transportul selectiv al moleculelor esențiale, cum ar fi insulina și transferina, din sânge în creier, menținând în același timp bariera împotriva altor molecule potențial dăunătoare. Transcitoza joacă, de asemenea, un rol în transferul imunității pasive de la mamă la făt prin transportul anticorpilor IgG prin placentă.

Exemple de endocitoză în procesele celulare

Endocitoza este implicată în numeroase procese celulare esențiale, de la metabolismul lipidelor până la transmiterea impulsurilor nervoase și apărarea împotriva agenților patogeni.

Captarea colesterolului LDL: Unul dintre cele mai bine studiate exemple de endocitoză este captarea colesterolului prin intermediul particulelor de lipoproteine cu densitate scăzută (LDL). Colesterolul, fiind insolubil în apă, este transportat în sânge sub formă de particule LDL, care conțin un miez de esteri de colesterol înconjurat de fosfolipide și apolipoproteina B-100. Celulele exprimă receptori LDL pe suprafața lor, care leagă particulele LDL și le internalizează prin endocitoză mediată de clatrina. În endozomii timpurii, pH-ul acid determină disocierea LDL de receptori. Receptorii sunt reciclați înapoi la suprafața celulei, în timp ce particulele LDL sunt transportate către lizozomi, unde esterele de colesterol sunt hidrolizate pentru a elibera colesterolul liber. Colesterolul eliberat este utilizat pentru sinteza membranelor celulare sau stocat sub formă de esteri de colesterol. Defectele în acest proces, cum ar fi mutațiile în receptorul LDL, duc la hipercolesterolemie familială, o boală caracterizată prin niveluri crescute de colesterol în sânge și ateroscleroză prematură.

Transportul transferinei și al fierului: Fierul este un nutrient esențial pentru majoritatea organismelor, fiind necesar pentru sinteza hemoglobinei, mioglobinei și a numeroase enzime. Transferina este o proteină plasmatică care leagă și transportă fierul în circulație. Celulele captează fierul prin endocitoza mediată de receptori a complexului transferină-fier. Receptorii transferinei de pe suprafața celulei leagă transferina încărcată cu fier și o internalizează prin vezicule acoperite cu clatrina. În endozomii timpurii, pH-ul acid determină eliberarea fierului din transferină, dar, spre deosebire de LDL, transferina rămâne legată de receptor. Complexul receptor-transferină este apoi reciclat înapoi la suprafața celulei, unde transferina este eliberată în mediul extracelular pentru a capta mai mult fier. Fierul eliberat în endozomi este transportat în citoplasmă prin intermediul transportorului de metale divalente 1 (DMT1) și este utilizat pentru sinteza proteinelor ce conțin fier sau stocat sub formă de feritină. Acest ciclu eficient de reciclare permite transferinei să efectueze multiple runde de transport al fierului.

Reciclarea veziculelor sinaptice: În neuronii, transmiterea impulsurilor nervoase la sinapse implică eliberarea neurotransmițătorilor din veziculele sinaptice prin exocitoză. Pentru a menține transmiterea sinaptică, neuronii trebuie să recupereze rapid membrana adăugată și să regenereze veziculele sinaptice. Acest proces, cunoscut sub numele de endocitoză a veziculelor sinaptice, implică multiple căi, inclusiv endocitoza mediată de clatrina și endocitoza în masă. După exocitoză, proteinele veziculare sinaptice sunt grupate în regiuni ale membranei presinaptice acoperite cu clatrina. Aceste regiuni se invaginează și formează vezicule acoperite cu clatrina, care sunt apoi dezbrăcate și fuzionează cu endozomii. Veziculele sinaptice noi sunt regenerate direct din endozomi sau prin intermediul rețelei trans-Golgi. Acest ciclu rapid de exocitoză-endocitoză permite neuronilor să mențină un rezervor constant de vezicule sinaptice, esențial pentru transmiterea continuă a impulsurilor nervoase. Defectele în reciclarea veziculelor sinaptice sunt asociate cu diverse tulburări neurologice.

Internalizarea receptorilor factorilor de creștere: Factorii de creștere, cum ar fi factorul de creștere epidermal (EGF) și factorul de creștere derivat din trombocite (PDGF), reglează proliferarea, diferențierea și supraviețuirea celulelor prin legarea de receptori specifici de pe suprafața celulei. Legarea factorului de creștere induce dimerizarea receptorului și activarea domeniului său tirozin kinază intrinsec, inițiind cascade de semnalizare intracelulară. Receptorii activați sunt apoi internalizați prin endocitoză mediată de clatrina sau prin căi independente de clatrina. În endozomi, receptorii pot continua să semnalizeze, generând semnale distincte de cele de la suprafața celulei. În cele din urmă, receptorii sunt fie reciclați înapoi la suprafața celulei, fie direcționați către lizozomi pentru degradare. Echilibrul între reciclare și degradare reglează durata și intensitatea semnalizării factorului de creștere. Perturbările în acest proces, cum ar fi mutațiile care împiedică internalizarea receptorilor, pot duce la semnalizare prelungită a factorului de creștere și la proliferare celulară necontrolată, contribuind la dezvoltarea cancerului.

Intrarea agenților patogeni în celule: Mulți agenți patogeni, inclusiv virusuri, bacterii și paraziți, exploatează căile endocitare ale celulei gazdă pentru a pătrunde în celule și a stabili infecții. De exemplu, virusul gripal se leagă de acidul sialic de pe glicoproteinele de suprafață ale celulei și este internalizat prin endocitoză mediată de clatrina sau prin macropinocitoza. În endozomii tardivi, pH-ul acid declanșează o schimbare conformațională în proteina virală hemaglutinina, care mediază fuziunea membranei virale cu membrana endozomală, eliberând genomul viral în citoplasmă. În mod similar, bacterii precum Listeria monocytogenes utilizează proteine de suprafață specifice pentru a induce fagocitoza de către celulele gazdă. Odată internalizate, aceste bacterii pot scăpa din fagozom în citoplasmă, unde se replică și se răspândesc la celulele vecine. Înțelegerea mecanismelor prin care agenții patogeni exploatează endocitoza poate duce la dezvoltarea de noi strategii terapeutice pentru combaterea infecțiilor.

Reglarea endocitozei

Endocitoza este un proces complex care necesită o reglare precisă pentru a asigura internalizarea selectivă a cargourilor specifice și transportul lor corect în interiorul celulei.

Peptide semnal și semnale de sortare: Internalizarea selectivă a proteinelor de membrană prin endocitoză este dirijată de semnale specifice în domeniile lor citoplasmatice. Unul dintre cele mai bine caracterizate semnale de internalizare este motivul bazat pe tirozină, cu secvența consens YXXΦ (unde Y este tirozină, X este orice aminoacid, iar Φ este un aminoacid hidrofob). Acest motiv este recunoscut direct de subunitatea μ2 a complexului adaptor AP-2, care mediază recrutarea clatrinei la membrana plasmatică. Un alt semnal de internalizare comun este motivul bazat pe dileucină, [DE]XXXL[LI] (unde D este acid aspartic, E este acid glutamic, X este orice aminoacid, L este leucină, iar I este izoleucină), care este de asemenea recunoscut de complexul AP-2. Proteinele care conțin aceste motive sunt concentrate în gropile acoperite cu clatrina și sunt internalizate eficient. Odată internalizate, sortarea proteinelor către diferite destinații intracelulare este dirijată de semnale de sortare suplimentare. De exemplu, motivul NPXY în receptorul LDL mediază sortarea sa către calea de reciclare, în timp ce ubiquitinarea proteinelor de membrană servește ca semnal pentru sortarea lor către corpurile multiveziculare și degradarea lizozomală.

Ubiquitinarea: Ubiquitina este o proteină mică (76 de aminoacizi) care poate fi atașată covalent la proteine prin intermediul unei cascade enzimatice care implică enzime activatoare (E1), enzime conjugatoare (E2) și ligaze de ubiquitină (E3). Ubiquitinarea servește ca semnal pentru diverse procese celulare, inclusiv degradarea proteinelor și endocitoză. În endocitoză, mono-ubiquitinarea sau multi-ubiquitinarea (atașarea mai multor molecule de ubiquitină la diferite lizine ale proteinei țintă) servește ca semnal pentru internalizarea proteinelor de membrană. De exemplu, receptorii factorilor de creștere activați sunt proteine ubiquitin ligază, ceea ce promovează internalizarea lor. După internalizare, ubiquitinarea servește ca semnal pentru sortarea proteinelor către corpurile multiveziculare și degradarea lizozomală. Acest proces implică recunoașterea proteinelor ubiquitinate de către complexele ESCRT (complexul de sortare endozomală necesar pentru transport), care mediază încorporarea lor în veziculele interne ale corpurilor multiveziculare. Deubiquitinazele, enzime care îndepărtează ubiquitina de pe proteine, reglează acest proces prin inversarea ubiquitinării.

Fosforilarea: Fosforilarea, adăugarea unui grup fosfat la reziduurile de serină, treonină sau tirozină ale proteinelor, este o modificare post-translațională importantă care reglează endocitoza. Fosforilarea poate afecta endocitoza în mai multe moduri. În primul rând, poate modula afinitatea proteinelor de membrană pentru mașinăria endocitară. De exemplu, fosforilarea receptorilor cuplați cu proteina G (GPCR) de către kinazele receptorilor cuplați cu proteina G (GRK) promovează recrutarea beta-arrestinei, care mediază internalizarea receptorului. În al doilea rând, fosforilarea poate regla activitatea componentelor mașinăriei endocitare. De exemplu, fosforilarea dinaminei de către kinaza Src crește activitatea sa GTPazică, promovând scindarea veziculelor endocitare. În al treilea rând, fosforilarea poate regla interacțiunile între componentele mașinăriei endocitare. De exemplu, fosforilarea amfifizinei reduce interacțiunea sa cu clatrina și dinamina, inhibând astfel endocitoza mediată de clatrina. Kinazele implicate în reglarea endocitozei includ kinaza proteică C (PKC), kinaza proteică A (PKA), kinaza Src și kinazele receptorilor tirozin kinazici.

Modificări lipidice: Compoziția lipidică a membranei plasmatice joacă un rol crucial în reglarea endocitozei. Lipidele membranare, în special fosfoinozitidele, servesc ca platforme pentru recrutarea și asamblarea mașinăriei endocitare. Fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfatul [PI(4,5)P2] este deosebit de important pentru endocitoza mediată de clatrina, deoarece leagă direct numeroase proteine endocitare, inclusiv AP-2, epsina și dinamina. Conversia PI(4,5)P2 în alte fosfoinozitide de către kinaze și fosfataze lipidice reglează temporal și spațial asamblarea și dezasamblarea mașinăriei endocitare. De exemplu, hidroliza PI(4,5)P2 de către fosfolipaza C sau fosforilarea sa de către fosfatidilinozitol-3-kinază (PI3K) reduce disponibilitatea PI(4,5)P2, inhibând astfel endocitoza mediată de clatrina. În plus față de fosfoinozitide, alte lipide, cum ar fi colesterolul și sfingolipidele, reglează endocitoza prin formarea de microdomenii membranare specializate, cum ar fi rafturile lipidice, care pot facilita sau inhiba endocitoza în funcție de compoziția lor specifică și de proteinele asociate.

Interacțiuni cu citoscheletul: Citoscheletul celular, în special filamentele de actină, joacă un rol important în reglarea endocitozei. Filamentele de actină formează o rețea sub membrana plasmatică care poate facilita sau inhiba endocitoza în funcție de organizarea și dinamica sa. În endocitoza mediată de clatrina, polimerizarea actinei în jurul gropilor acoperite cu clatrina generează forțe care contribuie la invaginarea membranei și la scindarea veziculelor. Proteine precum N-WASP și complexul Arp2/3 mediază polimerizarea actinei în locurile de endocitoză. Inhibarea polimerizării actinei cu agenți farmacologici precum latrunculina sau citocalasina reduce eficiența endocitozei mediate de clatrina în multe tipuri de celule. Pe de altă parte, o rețea densă de actină corticală poate inhiba endocitoza prin restricționarea mobilității laterale a proteinelor de membrană și prin creșterea rigidității membranei. Echilibrul între aceste efecte facilitatoare și inhibitoare depinde de tipul celular și de condițiile specifice. În plus față de actină, microtubulii reglează endocitoza prin furnizarea de căi pentru transportul veziculelor endocitice și prin influențarea organizării rețelei de actină.

Endocitoza în boli

Disfuncțiile în procesele endocitice sunt implicate în patogeneza multor boli, de la tulburări metabolice și neurodegenerative până la infecții și cancer.

Hipercolesterolemia familială: Hipercolesterolemia familială (FH) este o tulburare genetică caracterizată prin niveluri crescute de colesterol în sânge și un risc crescut de boală cardiovasculară prematură. FH este cauzată de mutații în genele implicate în captarea și metabolismul colesterolului LDL, în special în gena receptorului LDL (LDLR). Receptorul LDL mediază endocitoza particulelor LDL, principalul transportor al colesterolului în sânge. Mutațiile în LDLR pot afecta diferite aspecte ale funcției receptorului, inclusiv legarea LDL, internalizarea sau reciclarea receptorului. De exemplu, mutațiile în domeniul citoplasmatic al LDLR pot perturba semnalul de internalizare NPXY, împiedicând recrutarea receptorului în gropile acoperite cu clatrina și reducând astfel endocitoza LDL. Acest lucru duce la acumularea particulelor LDL în circulație și la depunerea colesterolului în peretele arterial, ducând la ateroscleroză. FH afectează aproximativ 1 din 250 de persoane și este una dintre cele mai frecvente tulburări genetice. Înțelegerea mecanismelor moleculare ale FH a dus la dezvoltarea de terapii care vizează reducerea nivelurilor de colesterol LDL, cum ar fi statinele și inhibitorii PCSK9.

Boala Alzheimer: Boala Alzheimer (AD) este o tulburare neurodegenerativă caracterizată prin acumularea de plăci amiloide extracelulare și aglomerări neurofibrilare intracelulare în creier. Disfuncțiile în endocitoză au fost implicate în patogeneza AD prin multiple mecanisme. În primul rând, proteina precursoare a amiloidului (APP), precursorul peptidului beta-amiloid (Aβ) care formează plăcile amiloide, este procesată în compartimentele endozomale. Perturbările în traficul endozomal al APP pot crește producția de Aβ. În al doilea rând, endocitoza mediază internalizarea și degradarea Aβ extracelular, contribuind la clearance-ul său. Disfuncțiile în acest proces pot duce la acumularea Aβ. În al treilea rând, proteinele implicate în endocitoză, cum ar fi PICALM, BIN1 și CD2AP, au fost identificate ca factori de risc genetic pentru AD prin studii de asociere la nivel genomic. Aceste proteine reglează diverse aspecte ale endocitozei, inclusiv formarea veziculelor acoperite cu clatrina, scindarea veziculelor și sortarea endozomală. Perturbările în funcția lor pot contribui la patogeneza AD prin afectarea traficului APP și a clearance-ului Aβ. Înțelegerea rolului endocitozei în AD poate duce la noi strategii terapeutice care vizează aceste procese.

Infecții virale și bacteriene: Mulți agenți patogeni, inclusiv virusuri și bacterii, exploatează căile endocitare ale celulei gazdă pentru a pătrunde în celule și a stabili infecții. Virusurile utilizează diverse strategii pentru a accesa celulele gazdă prin endocitoză. De exemplu, virusul gripal se leagă de acidul sialic de pe suprafața celulei și este internalizat prin endocitoză mediată de clatrina. În endozomii tardivi, pH-ul acid declanșează o schimbare conformațională în proteina virală hemaglutinina, care mediază fuziunea membranei virale cu membrana endozomală, eliberând genomul viral în citoplasmă. Alte virusuri, cum ar fi virusul SV40, utilizează endocitoza mediată de caveole, în timp ce virusul Ebola utilizează macropinocitoza. Bacteriile patogene, cum ar fi Listeria monocytogenes și Salmonella typhimurium, manipulează citoscheletul celulei gazdă pentru a induce fagocitoza lor. Odată internalizate, aceste bacterii pot supraviețui și se pot replica în fagozomi sau pot scăpa în citoplasmă. Înțelegerea mecanismelor prin care agenții patogeni exploatează endocitoza poate duce la dezvoltarea de noi strategii antivirale și antibacteriene care vizează aceste procese.

Cancerul și endocitoza alterată: Alterările în procesele endocitare sunt frecvent observate în celulele canceroase și pot contribui la proliferarea, supraviețuirea și metastazarea acestora. Receptorii factorilor de creștere, cum ar fi EGFR și PDGFR, sunt adesea supraexprimați sau mutați în cancer, ducând la semnalizare aberantă. Endocitoza și degradarea lizozomală a acestor receptori servesc ca mecanism de atenuare a semnalizării. Perturbările în aceste procese, cum ar fi reducerea internalizării receptorilor sau redirecționarea lor de la degradare la reciclare, pot prelungi semnalizarea factorului de creștere și pot promova proliferarea celulară. În plus, endocitoza reglează expresia de suprafață a moleculelor de adeziune celulară, cum ar fi caderinele și integrinele, care sunt implicate în adeziunea celulară și migrație. Alterările în endocitoza acestor molecule pot contribui la invazia și metastazarea celulelor canceroase. Proteinele implicate în endocitoză, cum ar fi clatrina, dinamina și Rab GTPazele, sunt adesea dereglate în cancer și pot servi ca ținte terapeutice potențiale. De exemplu, inhibitorii dinaminei au arătat activitate antitumorală în modele preclinice prin perturbarea endocitozei receptorilor factorilor de creștere.

Tulburări neurodegenerative: Pe lângă boala Alzheimer, disfuncțiile endocitare au fost implicate în patogeneza altor tulburări neurodegenerative, inclusiv boala Parkinson, boala Huntington și scleroza laterală amiotrofică (SLA). În boala Parkinson, mutațiile în gena LRRK2, un factor de risc genetic comun, perturbă traficul endozomal și autofagia, ducând la acumularea de proteine agregate și la moartea neuronilor dopaminergici. În boala Huntington, proteina huntingtina mutantă perturbă endocitoza mediată de clatrina și traficul endozomal, afectând funcția sinaptică și supraviețuirea neuronală. În SLA, mutațiile în gena C9orf72, cea mai frecventă cauză genetică a SLA, perturbă traficul endozomal și autofagia, contribuind la neurodegenerare. Aceste tulburări partajează mecanisme comune de disfuncție endocitară, inclusiv perturbări în formarea veziculelor endocitare, traficul endozomal și fuziunea cu lizozomii. Aceste disfuncții pot duce la acumularea de proteine agregate, disfuncție sinaptică și, în cele din urmă, la moartea neuronală. Înțelegerea rolului endocitozei în aceste tulburări poate duce la noi strategii terapeutice care vizează aceste procese.