Mecanism de fuziune - Fusion mechanism
Un mecanism de fuziune este orice mecanism prin care are loc fuziunea celulară sau fuziunea virus-celulă, precum și mecanismul care facilitează aceste procese. Fuziunea celulară este formarea unei celule hibride din două celule separate. Există trei acțiuni majore întreprinse atât în fuziunea celulelor virus, cât și în fuziunea celulă-celulă: deshidratarea grupurilor de cap polar, promovarea unei tulpini de hemifuzie și deschiderea și extinderea porilor între celulele care fuzionează. Fuziunile virus-celulă apar în timpul infecțiilor mai multor virusuri care prezintă probleme de sănătate relevante astăzi. Unele dintre acestea includ HIV , Ebola și gripa . De exemplu, infectează cu HIV prin fuziunea cu membranele de celule ale sistemului imunitar . Pentru ca HIV să se contopească cu o celulă, trebuie să se poată lega de receptorii CD4 , CCR5 și CXCR4 . Fuziunea celulară apare, de asemenea, într-o multitudine de celule de mamifere, inclusiv gameti și mioblasti .
Mecanisme virale
Fusogeni
Proteinele care permit membranelor virale sau celulare să depășească barierele la fuziune se numesc fuzogeni . Fusogenii implicați în mecanismele de fuziune virus-celulă au fost primele dintre aceste proteine descoperite. Proteinele de fuziune virală sunt necesare pentru a avea loc fuziunea cu membrană. Există dovezi că speciile ancestrale de mamifere ar fi putut încorpora aceleași proteine în propriile celule ca urmare a infecției. Din acest motiv, mecanisme și mașini similare sunt utilizate în fuziunea celulă-celulă.
Ca răspuns la anumiți stimuli, cum ar fi pH-ul scăzut sau legarea la receptorii celulari, acești fuzogeni vor schimba conformația. Schimbarea conformației permite expunerea regiunilor hidrofobe ale fuzogenilor care în mod normal ar fi ascunși intern din cauza interacțiunilor nefavorabile din punct de vedere energetic cu citosolul sau fluidul extracelular . Aceste regiuni hidrofobe sunt cunoscute sub numele de peptide de fuziune sau bucle de fuziune și sunt responsabile de provocarea instabilității și fuziunii membranei localizate. Oamenii de știință au descoperit că următoarele patru clase de fuzogeni sunt implicați în fuziunile virus-celule sau celule-celule.
Fuzogeni de clasa I
Acești fuzogeni sunt trimerici , adică sunt compuși din trei subunități . Buclele lor de fuziune sunt ascunse intern la joncțiunile monomerilor înainte ca fuziunea să aibă loc. Odată ce fuziunea este completă, acestea se reîntoarce într-o structură trimerică diferită de cea pe care o aveau înainte de fuziune. Acești fuzogeni sunt caracterizați de un grup de șase helici α în structura lor post-fuziune. Această clasă de fusogeni conține unele dintre proteinele utilizate de gripă , HIV , coronavirusuri și Ebola în timpul infecției. Această clasă de fuzogeni include, de asemenea, sincitine , care sunt utilizate în fuziunile de celule de mamifere.
Fuzogeni de clasa II
Spre deosebire de fuzogeni de clasa I, fuzogeni de clasa II conțin mai multe foi cu pliuri β . Aceste proteine sunt, de asemenea, trimerice și participă la inserarea buclelor de fuziune în membrana țintă. Modificările conformației lor sunt rezultatul expunerii la medii acide.
Fuzogeni de clasa III
Fuzogenii de clasa III sunt implicați în fuziunile virus-celule. La fel ca fuzogenii din cele două clase anterioare, aceste proteine sunt trimerice. Cu toate acestea, ele conțin atât folii α-helice, cât și β-plisate. În timpul fuziunii celulare, monomerii acestor proteine se vor disocia, dar vor reveni la o structură trimerică diferită după ce fuziunea este completă. Ele sunt, de asemenea, implicate în inserarea buclelor de fuziune în membrană.
Fuzogeni de clasa IV
Acești fuzogeni reovirali celulă-celulă conțin bucle de fuziune care pot induce fuziunea celulară. Ele formează structuri polimerice pentru a induce fuziunea membranelor. Reovirusurile nu au membranele în sine, deci fuzogenii de clasa IV nu sunt de obicei implicați în fuziunea tradițională virus-celulă. Cu toate acestea, atunci când sunt exprimate pe suprafața celulelor, pot induce fuziunea celulă-celulă.
Mecanismul clasa I – III
Fuzogenii din clasele I-III au multe diferențe structurale. Cu toate acestea, metoda pe care o utilizează pentru a induce fuziunea membranei este similară mecanic. Când sunt activate, toți acești fuzogeni formează structuri trimerice alungite și își îngropă peptidele de fuziune în membrana celulei țintă. Acestea sunt asigurate în membrana virală de regiuni hidrofobe trans-membranare. Acești fuzogeni se vor plia apoi pe ei înșiși formând o structură care amintește de un ac de păr. Această acțiune de pliere aduce regiunea transmembranară și bucla de fuziune adiacente una cu cealaltă. În consecință, membrana virală și membrana celulei țintă sunt, de asemenea, apropiate. Pe măsură ce membranele sunt apropiate, ele sunt deshidratate, ceea ce permite membranelor să fie aduse în contact. Interacțiunile dintre resturile de aminoacizi hidrofobi și membranele adiacente determină destabilizarea membranelor. Acest lucru permite fosfolipidelor din stratul exterior al fiecărei membrane să interacționeze între ele. Broșurile exterioare ale celor două membrane formează o tulpină de hemifuzie pentru a minimiza interacțiunile nefavorabile din punct de vedere energetic dintre cozile fosfolipide hidrofobe și mediul înconjurător. Această tulpină se extinde, permițând interacțiunii pliantelor interioare ale fiecărei membrane. Aceste pliante interioare se topesc apoi, formând un por de fuziune. În acest moment, componentele citoplasmatice ale celulei și ale virusului încep să se amestece. Pe măsură ce porii de fuziune se extind, fuziunea virus-celulă este finalizată.
Mecanisme de fuziune a celulelor mamifere
Deși există multe variații în diferite fuziuni între celulele de mamifere, există cinci etape care apar în majoritatea acestor evenimente de fuziune: „programarea statutului de fuziune competentă, chimiotaxie , aderență membranară, fuziune membranară și resetare post-fuziune”.
Programarea statutului de fuziune competent
Acest prim pas, cunoscut și sub denumirea de amorsare, cuprinde evenimentele necesare care trebuie să aibă loc pentru ca celulele să capete capacitatea de fuzionare. Pentru ca o celulă să devină competentă în fuziune, trebuie să manipuleze componenta membranei sale pentru a facilita fuziunea membranei. De asemenea, trebuie să construiască proteinele necesare pentru a media fuziunea. În cele din urmă, trebuie să elimine obstacolele în calea fuziunii. De exemplu, o celulă s-ar putea elibera de matricea extracelulară pentru a permite celulei mai multă motilitate pentru a facilita fuziunea.
Monocite, macrofage și osteoclaste
Monocitele și macrofagele pot deveni competente la fuziune ca răspuns la citokine , care sunt molecule de semnalizare a proteinelor. Unele interleukine determină monocitele și macrofagele să fuzioneze pentru a forma celule gigantice ale corpului străin ca parte a răspunsului imun al corpului. De exemplu, interleukina-4 poate promova activarea factorului de transcripție STAT6 prin fosforilare. Acest lucru poate declanșa apoi expresia metaloproteinazei matrice 9 ( MMP9 ). MMP9 poate degrada proteinele din matricea extracelulară, ceea ce ajută la amorsarea macrofagelor pentru fuziune.
Osteoclastele sunt celule multinucleate care resorbesc oasele. Acestea sunt formate prin fuziunea monocitelor diferențiate, la fel ca celulele gigantice ale corpului străin. Cu toate acestea, moleculele care induc competența de fuziune în macrofage care sunt destinate să devină osteoclaste sunt diferite de cele care promovează formarea celulelor gigant de corp străin. De exemplu, factorul de transcripție NFATC1 reglează genele care sunt specifice diferențierii osteoclastelor.
Celule haploide
Formarea zigotului este un pas crucial în reproducerea sexuală și se bazează pe fuziunea spermatozoizilor cu celulele ovule. În consecință, aceste celule trebuie pregătite pentru a câștiga competența de fuziune. Fosfatidilserina este un fosfolipid care se află de obicei pe stratul interior al membranei celulare. După ce celulele spermatozoide sunt pregătite, fosfatidilserina poate fi găsită pe prospectul exterior al membranei. Se crede că acest lucru ajută la stabilizarea membranei din capul spermei și că aceasta poate juca un rol în a permite spermatozoizilor să pătrundă în zona pelucidă care acoperă celulele ovulelor. Această locație neobișnuită a fosfatidilserinei este un exemplu de restructurare a membranei în timpul amorsării pentru fuziunea celulară.
Chimiotaxie
Chimiotaxia este procesul de recrutare ca răspuns la prezența anumitor molecule de semnal. Celulele care sunt destinate să fuzioneze sunt atrase una de cealaltă prin chemotaxie. De exemplu, celulele spermatozoizilor sunt atrase de celula de ou prin semnalizarea de către progesteron. În mod similar, în țesutul muscular, mioblastele pot fi recrutate pentru fuziune prin IL-4.
Aderenta membranei
Înainte ca celulele să se contopească, acestea trebuie să fie în contact unele cu altele. Acest lucru poate fi realizat prin recunoașterea și atașarea celulelor de către mașinile celulare. Syncytin-1 este un fusogen de clasa I implicat în fuziunea celulelor pentru a forma osteoclaste la om. În timpul acțiunilor timpurii ale fuzogenilor de clasa I în fuziunea celulară, aceștia își introduc buclele de fuziune într-o membrană țintă. În consecință, acțiunea sincitinei-1 este un exemplu de aderență a membranei, deoarece leagă cele două celule împreună pentru a le pregăti pentru fuziune. Această etapă cuprinde și deshidratarea membranelor la locul fuziunii. Acest lucru este necesar pentru a depăși cerințele de energie necesare pentru fuziune și pentru a se asigura că membranele se află în imediata apropiere pentru a se produce fuziunea.
Fuziunea membranei
Fuziunea membranei se caracterizează prin formarea unui por de fuziune , care permite amestecarea conținutului intern al ambelor celule. Se realizează mai întâi prin amestecarea lipidelor straturilor exterioare ale membranelor de fuziune, care formează o tulpină de hemifuzie. Apoi, pliantele interioare pot interacționa și fuziona, creând un spațiu deschis în care membranele s-au contopit. Acest decalaj este porul de fuziune. Acest proces este mediat de fuzogeni. Fusogenii sunt foarte conservați la mamifere și se teorizează că mamiferele le-au adoptat după infecția cu retrovirusuri. Deoarece sunt foarte conservate, își îndeplinesc sarcina printr-un mecanism similar cu cel folosit de fuzogeni virali, așa cum a fost descris anterior. Se teorizează că polimerizarea actinei și alte acțiuni ale citoscheletului ar putea ajuta la lărgirea porului de fuziune până la fuziunea completă.
Resetare post-fuziune
La finalizarea fuziunii, utilajele utilizate pentru fuzionarea trebuie să fie demontate sau modificate pentru a evita fuziunea noii celule multinucleate cu mai multe celule. Un exemplu în acest sens este structura trimerică finală preluată de fuzogeni de clasa I, II și III. Fiecare dintre ei ia o structură care este semnificativ diferită de forma lor înainte de a se produce fuziunea. Acest lucru își alterează probabil activitatea, împiedicându-i să inițieze o altă fuziune.