Прямой перенос липидов из плазматической мембраны в ЭПР опережает везикулярный транспорт
Исследование под руководством Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка показало, что направленный невезикулярный транспорт липидов обеспечивает быструю, вид-селективную сортировку липидов, опережая более медленный и менее специфичный везикулярный трафик, и позволил создать количественную карту ретроградного транспорта липидов в клетках.
Тысячи видов липидов занимают отдельные мембраны органелл, и различия в их задачах определяют клеточную функцию. Пробелы в возможностях визуализации живых клеток ограничивали понимание того, как отдельные липиды перемещаются между органеллами для поддержания этих функций.
Биосинтез липидов начинается в эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР), после чего они распределяются в сторону плазматической мембраны, а затем рециклируются обратно в ЭПР или подвергаются катаболизму в лизосомах, пероксисомах и митохондриях.
В исследовании "Quantitative imaging of lipid transport in mammalian cells", опубликованном в Nature, учёные измерили ретроградный транспорт и метаболизм отдельных видов липидов, используя временно-разрешенную флуоресцентную визуализацию бифункциональных липидных зондов в сочетании с масс-спектрометрией сверхвысокого разрешения и математическим моделированием.
Клетки U2OS служили основной системой для загрузки и визуализации липидов, а клетки HCT116 и генетические нокдауны использовались для механистических тестов. Исследователи вводили бифункциональные липиды в плазматическую мембрану с помощью носителя циклодекстрина, затем фиксировали их на месте ультрафиолетовым светом и химически метили для визуализации.
Зонды сообщали как о местоположении, так и о метаболической судьбе липидов, охватывая фосфатидилхолин, фосфатидную кислоту, фосфатидилэтаноламин и сфингомиелин, с вариантами, различающимися по насыщенности цепи и положению.
Визуализация определяла сигналы липидов в конкретных органеллах, а масс-спектрометрия отслеживала их химические превращения. Математические модели сравнивали прямой перенос из плазматической мембраны в ЭПР с везикулярными путями через эндосомы и аппарат Гольджи. Лекарственные обработки и генетические нокдауны изучали вклад флиппаз и транспортных белков в эти потоки.
Полиненасыщенный фосфатидилхолин, фосфатидная кислота и фосфатидилэтаноламин появлялись в ЭПР почти сразу после загрузки, в то время как насыщенный фосфатидилхолин и сфингомиелин задерживались в плазматической мембране и эндосомах. Прямой транспорт из плазматической мембраны в ЭПР опережал везикулярное движение через эндосомы до 11 раз.
Быстрее всего перемещался фосфатидилэтаноламин, за ним следовали полиненасыщенный фосфатидилхолин и сфингомиелин, а насыщенный фосфатидилхолин двигался медленнее всех. Внутри группы фосфатидилхолина ненасыщенные виды перемещались до семи раз быстрее, чем насыщенные, а цепи, расположенные в положении sn-2, перемещались до вдвое быстрее, чем в положении sn-1.
Блокирование везикулярного трафика не препятствовало попаданию липидов в ЭПР на ранних временных точках, хотя сфингомиелин позже накапливался в эндосомах. Удаление CPTP сокращало доставку сфингомиелина в ЭПР почти наполовину, с меньшим эффектом на другие классы. Нокдаун субъединицы флиппазы TMEM30A замедлял транспорт фосфатидилэтаноламина втрое и снижал баланс прямого и обратного потока.
Транспорт оказался намного быстрее метаболизма: его скорость превышала скорость химических превращений в 10–60 раз. Тем не менее, транспорт и метаболизм были тесно связаны, особенно внутри класса фосфатидилхолина.
На более длительных периодах фосфатидилхолин, модифицированный в положении sn-1, генерировал больше липидных капель и эфиров холестерина, чем формы sn-2, в то время как продукция триацилглицеринов оставалась схожей для всех вариантов.
Результаты указывают, что невезикулярный транспорт доминирует в распределении липидов по органеллам, а связь между АТФ-зависимым флиппингом липидов и селективным транспортом предлагает механизм для направленного движения.
Вид-специфичный метаболизм фосфолипидов регулирует накопление нейтральных липидов. Значение работы охватывает механистику, моделирование, поиск мишеней и биологию накопления липидов, предоставляя надёжный атлас для последующих исследований.