Аппарат Гольджи
Аппара́т Го́льджи (комплекс Гольджи), клеточная органелла, часть вакуолярной системы клетки эукариот. Названа в честь К. Гольджи, который в 1898 г., рассматривая под микроскопом кусочки ткани головного мозга, предварительно обработанные солями тяжёлых металлов, обнаружил структуру, названную им «внутренним сетчатым аппаратом» (Golgi C. Sur la structure des cellules nerveuses // Archives italiennes de biologie. 1898. T. 30. P. 63). Впервые предложения об участии этой структуры в выведении из клетки различных продуктов высказаны Д. Н. Насоновым (1923). Позднее с помощью электронного микроскопа было показано присутствие аппарата Гольджи во всех эукариотических клетках (кроме эритроцитов и зрелых сперматозоидов), установлены его строение и механизм действия.
Строение аппарата Гольджи
Функциональной единицей аппарата Гольджи является диктиосома, состоящая из стопки уплощённых, окружённых липопротеиновой мембраной вакуолей, или цистерн (до 20). Диктиосома всегда окружена множеством ограниченных мембраной сферических вакуолей. Весь аппарат Гольджи клетки обычно включает несколько диктиосом (до 10), связанных друг с другом каналами и образующих неупорядоченную сетчатую структуру, чаще около ядра. В клетках некоторых типов (в т. ч. клетках нервного ганглия) компоненты аппарата Гольджи бывают рассеяны по всей цитоплазме.
Образование и работа аппарата Гольджи целиком зависят от гранулярной (шероховатой) эндоплазматической сети (ЭПС). К ЭПС обращена одна из поверхностей диктиосомы, называемая формирующейся проксимальной, или цис-зоной (от лат. cis – по эту сторону, вблизи). Другая поверхность, которая называется зрелой дистальной, или транс-зоной (от лат. trans – по ту сторону), ориентирована в сторону цитоплазматической мембраны. Кроме того, выделяют расположенную между ними среднюю зону.
Функции аппарата Гольджи
В гранулярной ЭПС синтезируются как растворимые (секреторные), так и нерастворимые, встраивающиеся в её мембрану белки (гликопротеины); в составе мелких вакуолей они отделяются от ЭПС и сливаются с мембранами цис-зоны. В свою очередь, от этой зоны аппарата Гольджи отщепляются вакуоли, переносящие секреторные и мембранные белки в среднюю зону, а от последней – в транс-зону.
В аппарате Гольджи происходит вторичная модификация белков, поступающих после их синтеза на рибосомах гранулированной ЭПС: в цис-зоне – фосфорилирование гидролаз и некоторых мембранных белков; в средней – вторичное гликозилирование белков, их окончательное «созревание»; в транс-зоне, помимо модификации белков, происходит сортировка растворимых белков, их накопление в отдельных вакуолях за счёт взаимодействия специфически модифицированных участков с рецепторными белками в составе транс-зоны аппарата Гольджи. При этом растворимые белки разделяются на три основные группы: белки лизосом (главным образом гидролазы), белки постоянной секреции и белки регулируемой (сигнальной) секреции.
Вакуоли аппарата Гольджи, содержащие гидролазы, становятся лизосомами и участвуют во внутриклеточных процессах расщепления поглощённых в ходе эндоцитоза биополимеров, а также в деградации дефектных цитоплазматических компонентов. Вакуоли, содержащие секреторные белки, транспортируются к плазматической мембране (при участии микротрубочек цитоскелета) и сливаются с ней, выбрасывая своё содержимое из клетки (экзоцитоз) и одновременно пополняя её липопротеиновую мембрану.
Гольджины – резидентные белки аппарата Гольджи
Матриксные белки гольджины (golgins) – семейство мембранных белков, которые первоначально были идентифицированы как аутоантигены, распознаваемые аутоантителами сыворотки крови пациентов с системными аутоиммунными заболеваниями. Большинство гольджинов рекрутируются из цитоплазмы на цитоплазматическую поверхность аппарата Гольджи с помощью небольших G-белков семейства Arf, тогда как остальные гольджины встроены в плазматическую мембрану в виде интегральных мембранных белков.
Гольджины обеспечивают формирование диктиосом аппарата Гольджи, функционирование мембранного транспорта, скрепление отдельных цистерн, захват везикул с грузом и их стыковку с нужным местом на мембране, взаимодействие с элементами цитоскелета. Идентифицировано более 11 гольджинов млекопитающих. Основную роль в функционировании аппарата Гольджи выполняют джиантин, GM130 и GRASP65, которые формируют комплекс, обеспечивающий прикрепление к поверхности мембраны аппарата Гольджи везикул, отделившихся от эндоплазматической сети.
Динамика аппарата Гольджи
Аппарат Гольджи претерпевает значительные морфологические изменения в ходе нормальных физиологических процессов, составляющих клеточный цикл (в том числе при апоптозе), а также в условиях стресса, например, при заболеваниях (рак, алкогольные заболевания печени, ишемическая болезнь сердца и вирусные инфекции, а также различные неврологические заболевания, включая болезни Альцгеймера, Паркинсона и эпилепсию).
Фрагментация аппарата Гольджи в ходе клеточного цикла
В начале митоза аппарат Гольджи распадается на минидиктиосомы, которые в дальнейшем подвергаются распаковке и активному отделению везикул, чтобы обеспечить равное распределение компартментов аппарата Гольджи между двумя дочерними клетками.
В телофазе (финальной стадии митоза) везикулы, отделившиеся от аппарата Гольджи, сливаются в цистерны и образуют диктиосомы. Новые диктиосомы накапливаются в околоядерной области и затем соединяются в ленту.
Постмитотическая повторная сборка аппарата Гольджи включает в себя слияние мембран с образованием одиночных цистерн, которые впоследствии образуют диктиосомы. Обратимые посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование и убиквитинирование, играют важную роль в регуляции динамики мембран Гольджи в клеточном цикле млекопитающих.
Во время апоптоза аппарат Гольджи разрушается первым среди клеточных органелл. Расщепление каспазами матриксных белков (GRASP65, гольджин-160, GM130, p115, синтаксин 5 и гигантин), связанных с поддержанием структуры аппарата Гольджи, приводит к его фрагментации – потере отдельных резидентных ферментов, нарушению мембранного транспорта, изменениям в динамике микротрубочек и посттрансляционных модификациях белков.
Изменения аппарата Гольджи при заболеваниях
В процессе развития большинства типов рака происходят мутации генов, кодирующих белки, связанных с работой аппарата Гольджи, что ведёт к изменению его функций. Любое повреждение или структурная аномалия аппарата Гольджи сопровождается нарушением сигнальных путей. Это, в свою очередь, может способствовать прогрессированию опухоли, а также появлению метастаз в местных или отдалённых лимфоузлах.
Фрагментация аппарата Гольджи связана с разнообразным спектром нейродегенеративных заболеваний и происходит вследствие мутаций генов, участвующих в регуляции доставки белков от эндоплазматической сети к аппарату Гольджи.
Аппарат Гольджи в числе других мембранных органелл используется вирусами (вирус инфекционного гепатита С, энтеровирусы, вирус ящура, вирус лихорадки денге, коронавирус, вирус клещевого энцефалита, вирус краснухи и др.) для репликации и сборки своего генома, а также белков в вирусные частицы. После заражения клеток аппарат Гольджи часто фрагментируется. Основными зонами репликации вирусов служат мембраны и/или зоны, ответственные за синтез белков и мембранный транспорт.
Литература
- Уэйли У. Аппарат Гольджи / пер. с англ. Н. Ю. Алексеенко. – Москва : Мир, 1978.
- Isolation of a Matrix That Binds Medial Golgi Enzymes / P. Slusarewicz, T. Nilsson, N. Hui [et al.] // Journal of Cell Biology. – 1994. – Vol. 124, № 4. – P. 405–413.
- Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию : учебник для студентов университетов. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – Москва : Академкнига, 2004. – (Классический университетский учебник XXI века).
- Molecular cell biology / H. Lodish, A. Berk, P. Matsudaira [et al.]. – 5th ed. – New York : W. H. Freeman, 2004.
- Farhan H. Signalling to and from the secretory pathway / H. Farhan, C. Rabouilley // Journal of Cell Science. – 2011. – 124, № 2. – P. 171–180.
- Molecular biology of the cell / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis [et al.]. – 6th ed. – New York : Garland Science, 2014.
- JNK2 controls fragmentation of the Golgi complex and the G2/M transition through phosphorylation of GRASP65 / R. I. Cervigni, R. Bonavita, M. L. Barretta [et al.] // Journal of Cell Science. – 2015. – Vol. 128, № 12. – P. 2249–2260.
- Liu S. How Do Rab Proteins Determine Golgi Structure? / S. Liu, B. Storrie // International Review of Cell and Molecular Biology. – 2015. – Vol. 315. – P. 1–22.
- Mena–GRASP65 interaction couples actin polymerization to Golgi ribbon linking / D. Tang, X. Zhang, S. Huang [et al.] // Molecular Biology of the Cell. – 2016. – Vol. 27, № 1. – P. 137–152.
- Huang S. Golgi structure formation, function, and post-translational modifications in mammalian cells [version 1; peer review: 5 approved] / S. Huang, Y. Wang // F1000Research. – 2017. – Vol. 6. – Art. 2050.
- GRASP55 senses glucose deprivation through O-GlcNAcylation to promote autophagosome-lysosome fusion / X. Zhang, L. Wang, B. Lak [et al.] // Developmental Cell. – 2018. – Vol. 45, № 2. – P. 245–261.
- The Golgi ribbon in mammalian cells negatively regulates autophagy by modulating mTOR activity / P. Gosavi, F. J. Houghton, P. J. McMillan [et al.] // Journal of Cell Science. – 2018. – Vol. 131, № 3. – Art. jcs211987.
- DjA1 maintains Golgi integrity via interaction with GRASP65 / J. Li, D. Tang, S. C. Ireland, Y. Wang // Molecular Biology of the Cell. – 2019. – Vol. 30, № 4. – P. 478–490.
- Donizy P. Selected Golgi-Localized Proteins and Carcinogenesis: What Do We Know? / P. Donizy, J. Marczuk // Results and problems in cell differentiation / ed. M. Kloc. – Cham : Springer Nature Switzerland AG, 2019. – Vol. 67. – P. 487–529.
- Kulkarni-Gosavi P. Form and function of the Golgi apparatus: scaffolds, cytoskeleton and signalling / P. Kulkarni-Gosavi, C. Makhoul, P. A. Gleeson // FEBS Letters. – 2019. – Vol. 593, № 17. – P. 2289–2305.
- Li J. Golgi Structure and Function in Health, Stress, and Diseases / J. Li, E. Ahat, Y. Wang // Results and problems in cell differentiation / ed. M. Kloc. – Cham : Springer Nature Switzerland AG, 2019. – Vol. 67. – P. 441–485.
- Golgi Apparatus: An Emerging Platform for Innate Immunity / Y. Tao, Y. Yang, R. Zhou, T. Gong // Trends in Cell Biology. – 2020. – Vol. 30, № 6. – P. 467–477.
- Wang B. ER-to-Golgi Trafficking and Its Implication in Neurological Diseases / B. Wang, K. R. Stanford, M. Kundu // Cells. – 2020. – Vol. 9, № 2. – Art. 408.
- Agliarulo I. Golgi Apparatus Regulates Plasma Membrane Composition and Function / I. Agliarulo, S. Parashuraman // Cells. – 2022. – Vol. 11, № 3. – Art. 368.
- Dance of The Golgi: Understanding Golgi Dynamics in Cancer Metastasis / R. Bajaj, A. N. Warner, J. F. Fradette, D. L. Gibbons // Cells. – 2022. – Vol. 11, № 9. – Art. 1484.
- Schwabl S. Protein quality control at the Golgi / S. Schwabl, D. Teis // Current Opinion in Cell Biology. – 2022. – Vol. 75. – Art. 102074.
- Morozov Y. M. Disorder of Golgi Apparatus Precedes Anoxia-Induced Pathology of Mitochondria / Y. M. Morozov, P. Rakic // International Journal of Molecular Sciences. – 2023. – Vol. 24, № 5. – Art. 4432.