Введение

Везикулярный транспорт, или перемещение макромолекул в составе мембранных пузырьков (везикул, англ. vesicles) между компартментами клетки, является одним из базовых клеточных процессов. При формировании транспортных везикул, их реорганизациях, слияниях постоянно происходят процессы формообразования – разнонаправленные искривления мембран, тубуляция, уплощение или набухание, и др. Строго говоря, все эти процессы можно симулировать в модельных системах на искусственных бислойных липидных везикулах, формируя их в буферах различного состава, подвергая осмотическому давлению, действию электрического поля, другим факторам физико-химической природы. Однако, несколько многочисленных групп белков во взаимодействии с липидами придают процессу очень высокую степень специфичности, определяя время и место данного транспортного события, не позволяя упаковать в везикулу «неправильный» груз или ошибиться с адресом его доставки. Такие белки часто объединяются под общим названием «транспортной машинерии», и в настоящем пособии о них будет подробно рассказано.

Достижения последних лет показывают, что регуляторные транспортные белки способны также реагировать на активацию или деактивацию различных сигнальных каскадов, а транспортируемые грузы часто принимают самое деятельное участи в организации собственной внутриклеточной судьбы. Таким образом, механизмы везикулярного транспорта часто выступают как элемент общей координации внутриклеточных процессов, позволяющих клеткам тонко реагировать на сигналы различной природы и на изменение внешней обстановки, повышая возможности адаптации.

Важность везикулярного транспорта для нормальной жизнедеятельности эукариотической клетки, да и организма в целом, подчеркивает тот факт, что целый ряд инфекционных агентов (бактерий и вирусов) поступают в клетки с помощью везикулярного транспорта и обладают способностью изменять работу отдельных элементов транспортных путей. Выявлен целый ряд генетически наследуемых заболеваний, связанных с дефектами в белках-регуляторах везикулярного транспорта, приводящих к дисфункции транспортных путей, нарушению механизмов сортировки молекул или их правильной доставки.

Хотя такие понятия, как пиноцитоз, фагоцитоз, секреция, слышал практически каждый школьник, можно сказать, что везикулярному транспорту как области исследований в нашей стране не повезло. Действительно, бурный всплеск интереса научного сообщества к различным аспектам везикулярного транспорта пришелся на конец 80х–90-е годы XX в., поскольку сама логика развития исследований привела к пониманию существования взаимосвязи между внутриклеточной сигнализацией, канцерогенезом, регуляцией клеточной подвижности, функционированием ионных каналов и т.д . с процессами везикулярного транспорта. К сожалению, в этот период в России, в условиях недостаточного финансирования науки, трудно было говорить о развитии новых напрвлений. С этим обстоятельством связана некоторая недооценка российскими учеными роли везикулярного транспорта в регуляции жизнедеятельности клетки, а как следствие – определенные проблемы с русскоязычной терминологией. Для многих англоязычных понятий не нашлось пока устоявшихся русских терминов, поэтому в тексте будут приводиться при необходимости и английские варианты названий.

«Недооцененность» понимания важности везикулярного транспорта для нормальной жизнедеятельности клетки особенно очевидна в планах преподавания биологических дисциплаин в технических вузах, готовящих специалистов для работы в области медицины и биотехнологии. Разрабатывая новые физические методы и приборы для использования в вышеупомянутых областях, необходимо понимать, как «работает» клетка в целом, что невозможно без знаний о базовых внутриклеточных процессах. К сожалению, русскоязычных источников, суммирующих существующие представления об этом процессе, нет. Настоящее пособие представляет собой первую такую попытку, не претендуя, однако, на полный охват темы. Так, представленные данные касаются в основном клеток животного происхождения как наиболее исследованных.

Из общих соображений хочется отметить еще следующее: как всегда бывает в науке, развитие представлений о каком-либо процессе идет от более простого к более сложному. Например, ранние представления о роли белков сводились к тому, что именно они несут основную функциональную (регуляторную, сигнальную) нагрузку в клетке, тогда как липидные мембраны являются пассивной платформой, предоставляющей «твердую почву» для регулируемых белками событий. Однако более глубокое проникновение в мир клеточных липидов смешало все карты в этой игре. Оказалось, что липиды принимают весьма активную роль в регуляции клеточных функций, и стало подчас непонятно, кто именно – белки или липиды, – играют ключевую роль в рассматриваемом процессе. Ситуация стала напоминать «проблему курицы и яйца», и если с научной точки зрения становится все более ясно, насколько все в клетке взаимосвязано, с точки зрения последовательного изложения материала возникают дополнительные трудности. В связи с этим данное пособие условно делится на три части: в первой даются некоторые общие представления о предмете и достаточно подробно описывается «феноменология» основных транспортных путей. Обсуждаются также основные гипотезы, их касающиеся. Во второй части будут описаны молекулярные механизмы формирования транспортных везикул, их адресной доставки, регуляции слияния и т. д. – т. е. процессы, в которых участвуют функционально сходные группы белков. Отдельная глава будет посвящена липидам мембран, их роли в везикулярном транспорте и координации их работы с белками, хотя эта тема поневоле затрагивается во многих частях пособия. Будут приведены данные по взаимодействию везикулярного транспорта и цитоскелетных структур клеток. В третьей части на примере эндоцитоза рецепторов ростовых факторов будут сведены воедино все описанные выше механизмы и дана, насколько это возможно, интегральная картина работы всех компонентов-регуляторов везикулярного транспорта и роли его в сигнальных процессах. Будут также рассмотрены частные случаи, такие как фагоцитоз и аутофагия, и описаны некоторые патологии, связанные с нарушениями работы «транспортной машинерии».