受体介导的胞吞作用.ppt

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1、受体介导的胞吞作用Receptor-Mediated Endocytosis生科院02级1班郭政、闫佳洁前言v受体介导的胞吞作用是一种特殊类受体介导的胞吞作用是一种特殊类型的胞吞作用，主要是用于摄取特型的胞吞作用，主要是用于摄取特殊的生物大分子。如不同的蛋白质，殊的生物大分子。如不同的蛋白质，包括激素、生长因子、淋巴因子和包括激素、生长因子、淋巴因子和一些营养物都是通过这种方式进入一些营养物都是通过这种方式进入细胞。细胞。问题的提出问题的提出v胚胎发育起始于一个微小的的精子胚胎发育起始于一个微小的的精子和一个更大的卵细胞的结合。卵细和一个更大的卵细胞的结合。卵细胞是由卵母细胞发展而来的，并且胞

2、是由卵母细胞发展而来的，并且积累卵黄。而这些卵黄是在雌性个积累卵黄。而这些卵黄是在雌性个体中其他部位合成的。那么，这些体中其他部位合成的。那么，这些高分子量的卵黄蛋白是怎么能够进高分子量的卵黄蛋白是怎么能够进入卵母细胞的呢？入卵母细胞的呢？19641964年，哈佛大学的年，哈佛大学的Thomas RothThomas Roth和和Keith Keith PorterPorter报道了有关蚊子的卵黄进入卵母细报道了有关蚊子的卵黄进入卵母细胞的可能的机理。他们注意到在卵母细胞胞的可能的机理。他们注意到在卵母细胞快速增长时期，在卵母细胞表面有许多压快速增长时期，在卵母细胞表面有许多压低的纹孔，数量呈

3、戏剧性的增长。这些纹低的纹孔，数量呈戏剧性的增长。这些纹孔，是由原生质膜的凹陷构成的。在它们孔，是由原生质膜的凹陷构成的。在它们的内表面被一层粗糙的表层所覆盖。的内表面被一层粗糙的表层所覆盖。在一项有远见的计划中，在一项有远见的计划中，RothRoth和和PorterPorter假定卵黄蛋白是被特别的吸附在假定卵黄蛋白是被特别的吸附在有被小有被小窝窝(coated pits)coated pits)的膜的外表面，并将作为的膜的外表面，并将作为有被小泡（有被小泡（coated vesicles)coated vesicles)而吸入。这些而吸入。这些有被小泡脱离粗糙的表层后，一个与另有被小泡脱离

4、粗糙的表层后，一个与另一个结合，使得它们变得更大。一个结合，使得它们变得更大。v第一次观察到有被小第一次观察到有被小泡的结构是直到泡的结构是直到19691969年，由大阪大学的年，由大阪大学的TokuToku KanasekiKanaseki和和Ken Ken KadotaKadota发现的。电子发现的。电子显微镜检测到天然的显微镜检测到天然的小泡部分与豚鼠大脑小泡部分与豚鼠大脑相隔离，显示出有被相隔离，显示出有被小泡被一个多边形的小泡被一个多边形的柳条编制物覆盖。柳条编制物覆盖。（图（图1 1）这些调查表）这些调查表明胞被能够起到控制明胞被能够起到控制在小泡的形成中原生在小泡的形成中原生质膜

5、的包裹作用。质膜的包裹作用。有被小泡表面的网格模型高倍电子显微镜下的照片 在在生化自然杂志中的第一份有关有生化自然杂志中的第一份有关有被小泡的研究是由被小泡的研究是由Barbara Barbara PearsePearse于于19751975年在英国剑桥大学的一次医学研年在英国剑桥大学的一次医学研究会议上发表的。究会议上发表的。PearsePearse揭露了一个过揭露了一个过程。此过程是通过将猪大脑的小泡膜程。此过程是通过将猪大脑的小泡膜通过一个连续的蔗糖浓度梯度做离心，通过一个连续的蔗糖浓度梯度做离心，直到有被小泡达到纯化分离。有被小直到有被小泡达到纯化分离。有被小泡中的蛋白质通过泡中的蛋白

6、质通过SDSSDS聚丙烯酰胺凝聚丙烯酰胺凝胶电泳被溶解和分离。胶电泳被溶解和分离。这个结果表示被膜含有一个分子这个结果表示被膜含有一个分子量大约在量大约在180000180000道尔顿的占优势道尔顿的占优势的蛋白质种类。的蛋白质种类。PearsePearse命名这个蛋命名这个蛋白为白为网格蛋白（网格蛋白（clathrinclathrin)。他通过他通过对几种不同类型动物细胞的分离，对几种不同类型动物细胞的分离，都发现了有被小泡在形成中的与都发现了有被小泡在形成中的与此相同的蛋白质（从分子量和多此相同的蛋白质（从分子量和多肽图考虑的）。肽图考虑的）。新的研究新的研究v在上述的研究之后，在上述的研

7、究之后，19731973年，在达拉斯年，在达拉斯的的TexxasTexxas Medical Medical学校的实验室中，由学校的实验室中，由Michael BrownMichael Brown和和Joseph GoldsteinJoseph Goldstein又又共共同提出了一个新的研究方向。同提出了一个新的研究方向。BrownBrown和和GoldsteinGoldstein开始对开始对家族性血胆脂醇过多家族性血胆脂醇过多（familial familial hypercholesterolermiahypercholesterolermia FH FH）这种遗传病产生了兴趣。这种遗传病

8、产生了兴趣。BrownBrown和和GoldsteinGoldstein开始了对开始了对FHFH的研究，的研究，他们分别取正常人和他们分别取正常人和FHFH患者的皮肤所患者的皮肤所派生的派生的成纤维细胞成纤维细胞(fibroblast)fibroblast)进行培养，进行培养，检测检测胆固醇胆固醇(cholesterolcholesterol）的代谢过程。的代谢过程。他们发现在胆固醇合成中酶的控制率，他们发现在胆固醇合成中酶的控制率，HMGHMG辅酶辅酶A A还原酶可以在正常的成纤还原酶可以在正常的成纤维细胞中被环境中的维细胞中被环境中的脂蛋白脂蛋白（lipoprotein)lipoprote

9、in)（例如例如LDLLDL）抑制。（图抑制。（图2 2）测量正常成纤维细胞中的测量正常成纤维细胞中的HMG HMG CoACoA还原酶活性。还原酶活性。v正方形表示在胚胎血正方形表示在胚胎血清中有部分脂蛋白。清中有部分脂蛋白。v实心圆表示全部脂蛋实心圆表示全部脂蛋白。白。v三角形表示非脂蛋白。三角形表示非脂蛋白。v从图中明显看出脂蛋从图中明显看出脂蛋白可以降低酶的活性，白可以降低酶的活性，而非脂蛋白对酶活性而非脂蛋白对酶活性几乎没有影响。几乎没有影响。蛋白质浓度蛋白质浓度 血清百分数血清百分数v这样，在正常成纤维这样，在正常成纤维细胞生长的培养基质细胞生长的培养基质中加入中加入LDL(low

10、-LDL(low-density density lipoprpteinlipoprptein低密度脂蛋白低密度脂蛋白)的添的添加物，会导致加物，会导致HMGHMG辅酶辅酶A A还原酶活性水还原酶活性水平的降低，并且伴随平的降低，并且伴随成纤维细胞的胆固醇成纤维细胞的胆固醇合成的减少。合成的减少。在发生在发生FHFH的成纤维细胞中测量的成纤维细胞中测量HMGHMG辅酶辅酶A A还原酶水平，发现它还原酶水平，发现它们是正常成纤维细胞的们是正常成纤维细胞的40604060倍。倍。另外，全部另外，全部FHFH成纤维细胞中的酶成纤维细胞中的酶活性不受在环境媒介中活性不受在环境媒介中LDLLDL出现出现

11、的影响。（图的影响。（图3 3）v在第六天时，培养基被新在第六天时，培养基被新鲜的培养基替代。其中含鲜的培养基替代。其中含有有5%5%人类缺脂蛋白的原人类缺脂蛋白的原生质。生质。v在测量初期可以明显看出在测量初期可以明显看出细胞有很低的酶活性，这细胞有很低的酶活性，这是因为培养基中含有足够是因为培养基中含有足够的含胆固醇的脂蛋白，所的含胆固醇的脂蛋白，所以细胞不需要再合成。以细胞不需要再合成。v一旦培养基换成缺脂蛋白一旦培养基换成缺脂蛋白的基质，细胞就不能利用的基质，细胞就不能利用基质中的胆固醇，于是就基质中的胆固醇，于是就增加了细胞中酶的数量以增加了细胞中酶的数量以便自身合成。便自身合成。v

12、而相反的，在而相反的，在FHFH中显示出中显示出无论存不存在脂蛋白，细无论存不存在脂蛋白，细胞中的酶都无反应。胞中的酶都无反应。实心圆表示培养于含有实心圆表示培养于含有10%胚胎血清的成胚胎血清的成纤维细胞。纤维细胞。空心圆表示纯合空心圆表示纯合FH患者的成纤维细胞。患者的成纤维细胞。环境中的脂蛋白是怎样影响人工培环境中的脂蛋白是怎样影响人工培养细胞的细胞质中的酶活性呢？养细胞的细胞质中的酶活性呢？为了解释这个问题，为了解释这个问题，BrownBrown和和GoldsteinGoldstein开始了对细胞和脂蛋白之开始了对细胞和脂蛋白之间相互影响的研究。间相互影响的研究。他们向培养皿中加入了他

13、们向培养皿中加入了放射性标记放射性标记（radioactively labeled)radioactively labeled)的的LDLLDL，培养皿培养皿中包含有从中包含有从FHFH患者或正常人中获得的成患者或正常人中获得的成纤维细胞。正常的成纤维细胞以高亲和纤维细胞。正常的成纤维细胞以高亲和力特性结合被标记的力特性结合被标记的LDLLDL分子，但是突变分子，但是突变的细胞显示出实际上没有能力与这些脂的细胞显示出实际上没有能力与这些脂蛋白分子结合。（图蛋白分子结合。（图4 4）v圆形表示放射性圆形表示放射性125125I I 标记的标记的LDLLDL在在3737与正常的细胞结合。与正常的细

14、胞结合。三角形表示与三角形表示与FHFH的细胞结合。的细胞结合。v空心圆和三角为细胞在含有空心圆和三角为细胞在含有5 5mg/ml125ILDLmg/ml125ILDL缓冲液的缓冲液的250250mg/mlmg/ml非放射性非放射性LDLLDL中生长。实心圆和三角则不含有非中生长。实心圆和三角则不含有非放射性放射性LDLLDL。v在没有添加非放射性在没有添加非放射性LDLLDL的细胞中很明显看出，正常细胞结的细胞中很明显看出，正常细胞结合了一定数量的合了一定数量的LDLLDL，而而FHFH患者细胞则不能结合。患者细胞则不能结合。v而在添加了非放射性而在添加了非放射性LDLLDL的细胞中标记的细

15、胞中标记LDLLDL大量减少。因为大量减少。因为非标记脂蛋白与标记的非标记脂蛋白与标记的LDLLDL竞争结合。竞争结合。这些结论表示出正常细胞有一这些结论表示出正常细胞有一个个LDLLDL的高特异性受体的高特异性受体，这个，这个受体在有缺陷的或者在受体在有缺陷的或者在FHFH病病人的细胞中丢失人的细胞中丢失。为了显像受体结合和为了显像受体结合和内化作用内化作用（internalization)internalization)的过程，的过程，BrownBrown和和GoldsteinGoldstein与与Richard AndersonRichard Anderson合合作，作，Richard

16、AndersonRichard Anderson利用电子显利用电子显微镜对细胞的结构有所研究。微镜对细胞的结构有所研究。v这个研究小组从正常的和带有这个研究小组从正常的和带有LDLLDL的的FHFH中慢慢提取成纤维细胞，这个中慢慢提取成纤维细胞，这个LDLLDL被共被共价的连接于铁蛋白中。因为铁原子，铁价的连接于铁蛋白中。因为铁原子，铁蛋白分子可以分散成电子带，就可以在蛋白分子可以分散成电子带，就可以在电子显微镜下被显像。电子显微镜下被显像。v当在当在44时，正常的成纤维细胞和时，正常的成纤维细胞和LDLLDL铁蛋白慢慢形成。在这个温度下配体可铁蛋白慢慢形成。在这个温度下配体可以与细胞表面结合

17、，但不能被内化吸收，以与细胞表面结合，但不能被内化吸收，LDLLDL铁蛋白微粒被发现结合于细胞表铁蛋白微粒被发现结合于细胞表面。面。v最近的检测解释最近的检测解释LDLLDL微粒不是随便微粒不是随便的分散在细胞表面，的分散在细胞表面，而是在原生质膜上而是在原生质膜上形成一个固定的小形成一个固定的小的片段的片段（0.50.5mm）。）。这这个膜被一个个膜被一个“绒毛绒毛的的”物质切割和覆物质切割和覆盖。（图盖。（图5 5）电子显微镜下观察的人成纤维细胞中结合了电子显微镜下观察的人成纤维细胞中结合了LDL的有被小泡。的有被小泡。LDL在结合了高密度电子在结合了高密度电子铁蛋白微粒中很明显。铁蛋白微

18、粒中很明显。在这些膜上的片段是有被小窝，最初被在这些膜上的片段是有被小窝，最初被RothRoth和和PorterPorter描述，并且在各种细胞类型描述，并且在各种细胞类型中被发现。尽管来自中被发现。尽管来自FHFH病人的的细胞的病人的的细胞的表面被发现有相似数量的有被小窝，但没表面被发现有相似数量的有被小窝，但没有有LDLLDL铁蛋白结合在这些突变细胞上。铁蛋白结合在这些突变细胞上。这结果支持了突变的这结果支持了突变的FHFH等位基因翻译成等位基因翻译成受体，而这个受体并没有能力结合受体，而这个受体并没有能力结合LDLLDL。后来用电子显微镜对后来用电子显微镜对LDLLDL铁蛋白的内化铁蛋白

19、的内化作用进行研究，显示出胞吞作用的路径是作用进行研究，显示出胞吞作用的路径是这些脂蛋白的内化。这些脂蛋白的内化。基于这些结论，这个小组假定受体结合基于这些结论，这个小组假定受体结合LDLLDL的内化作用是在有被小窝中的内化作用是在有被小窝中LDLLDL受受体的某部位密切相关的。接着这个假定，体的某部位密切相关的。接着这个假定，如果一个如果一个LDLLDL受体不能在有被小窝上固受体不能在有被小窝上固定的，它就不能传递它的结合配体给细定的，它就不能传递它的结合配体给细胞的胞的溶酶体（溶酶体（lysosomelysosome），），并且这样将并且这样将不能影响在细胞中胆固醇的合成。不能影响在细胞中

20、胆固醇的合成。这时，一个不同类型的突变的这时，一个不同类型的突变的LDLLDL受体被受体被发现。发现。LDLLDL受体提供了这个新的缺陷（通受体提供了这个新的缺陷（通过病人发生过病人发生J.DJ.D突变所了解的）结合放射突变所了解的）结合放射性标记的性标记的LDLLDL的正常总数，受体结合脂蛋的正常总数，受体结合脂蛋白不能被内化，所以就不能被传送至细白不能被内化，所以就不能被传送至细胞质的溶酶体进行加工。胞质的溶酶体进行加工。AndersonAnderson和他的合作者假定和他的合作者假定LDLLDL受体受体是一个跨膜蛋白，正常的会固定的在是一个跨膜蛋白，正常的会固定的在有被小窝上，因为它的细

21、胞质区域是有被小窝上，因为它的细胞质区域是与有被小窝的成份特别的结合。可能与有被小窝的成份特别的结合。可能网格蛋白（但是后来有关联的，例如网格蛋白（但是后来有关联的，例如适应物的小亚基，正如下面讨论的）适应物的小亚基，正如下面讨论的）因为这个在细胞质区域的缺陷，因为这个在细胞质区域的缺陷，J.DJ.D突突变受体是不能在细胞的有被小泡固定。变受体是不能在细胞的有被小泡固定。有这种突变的人表现出相同的表现型，有这种突变的人表现出相同的表现型，因为病人的受体是不能结合到因为病人的受体是不能结合到LDLLDL上的。上的。后来的研究决定了正常的后来的研究决定了正常的LDLLDL受体是个受体是个有有839

22、839个氨基酸的跨膜糖蛋白，并在蛋个氨基酸的跨膜糖蛋白，并在蛋白的白的C C末端有末端有5050个氨基酸从膜延伸至个氨基酸从膜延伸至内部作为细胞质的一个区域。在对内部作为细胞质的一个区域。在对J.DJ.D突变受体的分析中显示出蛋白质包括突变受体的分析中显示出蛋白质包括了一个简单的氨基酸代谢：一个酪氨了一个简单的氨基酸代谢：一个酪氨酸残基正常定位的酸残基正常定位的807807位置被半胱氨酸位置被半胱氨酸取代。这个简单的在氨基酸序列上的取代。这个简单的在氨基酸序列上的变化消除了蛋白质在有被小窝上变得变化消除了蛋白质在有被小窝上变得集中的能力。集中的能力。vLDLLDL与与LDLLDL受体结合，内吞

23、入细胞使其获受体结合，内吞入细胞使其获得脂类，主要是胆固醇，这种代谢过程得脂类，主要是胆固醇，这种代谢过程称为称为LDLLDL受体途径（受体途径（LDL receptor LDL receptor pathwaypathway），），该途径依赖于该途径依赖于LDLLDL受体介导受体介导的细胞膜吞饮作用完成的细胞膜吞饮作用完成 。在接下来的几年中，他们的注意力转向了其在接下来的几年中，他们的注意力转向了其他受体的细胞质尾部的氨基酸序列，这些受他受体的细胞质尾部的氨基酸序列，这些受体在有被小窝中变得固定。那么，有没有一体在有被小窝中变得固定。那么，有没有一个共同的个共同的“内化作用信号内化作用信号

24、”？有许多不同的？有许多不同的受体比如胞吞作用的中间受体包括一个必要受体比如胞吞作用的中间受体包括一个必要的酪氨酸残基，这些残基通常位于序列的的酪氨酸残基，这些残基通常位于序列的YXXYXX，这其中的这其中的Y Y是酪氨酸，而是酪氨酸，而X X可以是可以是任意的氨基酸，而任意的氨基酸，而是一个含有大的疏水链是一个含有大的疏水链的氨基酸。研究表明受体的的氨基酸。研究表明受体的YXXYXX序列与序列与AP2AP2结合素的一个多肽结合素的一个多肽(亚基亚基)结合。结合。X X光射线显示出结合素和内化作用信号之间相互作用的特性。光射线显示出结合素和内化作用信号之间相互作用的特性。v紫色表示膜受体上内化

25、紫色表示膜受体上内化信号信号的的X X光下的结构。它光下的结构。它结合在结合在APAP结合素的结合素的链链上。上。v灰色表示灰色表示亚基。亚基。亚亚基几乎全部由基几乎全部由折叠片折叠片组成，有两个疏水的凹组成，有两个疏水的凹陷，其中一个与酪氨酸陷，其中一个与酪氨酸残基（残基（Y Y）结合，另一个结合，另一个结合了内化作用信号的结合了内化作用信号的一个大的疏水侧链。一个大的疏水侧链。L L 为为亮氨酸。亮氨酸。这种类型的相互作用就像是电线末端这种类型的相互作用就像是电线末端的两个分叉的插头与插座之间的对应的两个分叉的插头与插座之间的对应关系。一旦内化作用信号的残基结合关系。一旦内化作用信号的残基

26、结合到结合素上，一种额外的吸引力被引到结合素上，一种额外的吸引力被引起，通过在受体的中枢和起，通过在受体的中枢和亚基一段亚基一段片段之间结合氢的构造。这些不同分片段之间结合氢的构造。这些不同分子间的联系的结果，结合素在有被小子间的联系的结果，结合素在有被小窝中被优先的胞吞作用捕捉。窝中被优先的胞吞作用捕捉。我们再来回忆一下受体介导的我们再来回忆一下受体介导的LDL的的胞吞作用的过程胞吞作用的过程家族性血胆脂醇过多家族性血胆脂醇过多（familial hypercholesterolemia FH）纯合体的个体含有致病基因（纯合体的个体含有致病基因（FHFH等等位基因）会导致严重增加血清胆固醇浓

27、位基因）会导致严重增加血清胆固醇浓度。（正常人为度。（正常人为200200mg/dlmg/dl，而而FHFH为为800800mg/dlmg/dl），），这种病常常导致阻断动脉这种病常常导致阻断动脉（动脉粥样硬化），并且通常在患者（动脉粥样硬化），并且通常在患者2020岁之前就死于心脏病。在当时，几乎没岁之前就死于心脏病。在当时，几乎没有人知道这种致病的生理原理。有人知道这种致病的生理原理。而且，而且，目前尚无特效药物目前尚无特效药物可以治疗。可以治疗。LDLLDL受体受体vLDLLDL受体是一种多受体是一种多机能蛋白，由机能蛋白，由839839个氨基酸组成的个氨基酸组成的3636面体结构蛋白，

28、面体结构蛋白，分子量约分子量约115115kDkD。由五种不同的区由五种不同的区域构成，各区域域构成，各区域有其独特的功能有其独特的功能 。vLDLLDL受体广泛分布于肝脏、动脉壁受体广泛分布于肝脏、动脉壁平滑肌细胞、肾上腺皮质细胞、血平滑肌细胞、肾上腺皮质细胞、血管内皮细胞、淋巴细胞、单核细胞、管内皮细胞、淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞，各组织或细胞的巨噬细胞，各组织或细胞的LDLLDL受体受体活性差别很大。活性差别很大。vLDLLDL受体主要功能是通过摄取胆固受体主要功能是通过摄取胆固醇进入细胞内，用于细胞增殖和固醇进入细胞内，用于细胞增殖和固醇类激素及胆汁酸盐的合成等。醇类激素及胆汁酸盐的

29、合成等。v（1 1）血浆中）血浆中LDLLDL与细胞膜上有被区域的与细胞膜上有被区域的LDLLDL受体结合。受体结合。v（2 2）使其出现有被小窝。）使其出现有被小窝。v（3 3）并从膜上分离形成有被小泡。）并从膜上分离形成有被小泡。v（4 4）其上的网格蛋白解聚脱落，再结合到膜）其上的网格蛋白解聚脱落，再结合到膜上。上。v（5 5）其内的）其内的pHpH值降低，使受体与值降低，使受体与LDLLDL解离。解离。v（6 6）LDLLDL受体重新回到膜上进行下一次循环。受体重新回到膜上进行下一次循环。v（7 7）有被小泡与溶酶融合后，）有被小泡与溶酶融合后，LDLLDL经溶酶体经溶酶体酶作用，胆固醇水解。酶作用，胆固醇水解。BACK