A Golgi-készülék működése

A Golgi-készülék felépítése

Az összetett szerkezetű Golgi-készülék morfológia és funkció szempontjából is kisebb egységekre tagolható (3. ábra). Az ER felőli, belépő felszíne a cisz-Golgi hálózat (CGN: cis Golgi network), amelyet a fuzionáló vezikuláris-tubuláris klaszterek hoznak létre. Innen is folyamatosan fűződnek le COPI-es vezikulák, a CGN üregének fehérje-összetétele tehát az ER-étől már jelentősen különbözik.

A szekréciós fehérjék ezután a Golgi-készülék ciszternáiba jutnak. Ezek, mint ismeretes, igen lapos, kiterjedt felszínű zsákok, a legtöbb eukariótában négy-hat ciszterna található szoros közelségben (6. ábra). Közöttük gyakran csőszerű összeköttetések figyelhetőek meg. A lefűződő vezikulák leginkább az egyes ciszternák szélén láthatóak, ennek oka valószínűleg az, hogy a membrán ott eleve erősen görbült. A rendezetten elhelyezkedő ciszternák között is megkülönböztethetünk belépési (cisz-Golgi), középső (mediális Golgi) és kilépési (transz-Golgi) ciszternát.

A teljes Golgi-készülék kilépő felszínén a CGN-hez hasonló, folyamatosan formálódó, zsák-és csőszerű elemekből álló transz-Golgi hálózat jön létre (TGN: trans Golgi network). A készüléken belül ez működik elosztó-központként: a megfelelően módosított fehérjéket és lipideket szignáljukat (vagy annak hiányát) értelmezve rendeltetési helyük felé irányítja. Ennek megfelelően a TGN-ről is folyamatosan vezikulák képződnek, a sejtfelszín irányába, az endomembrán rendszer egyéb elemei felé, vagy visszafelé, a retrográd transzportot biztosítva. Ugyanakkor maga a TGN is fogad a szekréciós út „hátralévő” szakaszai felől visszatérő vezikulákat.

A Golgi-készülék kompakt szerkezetét egyrészt a mikrotubulus-hálózat biztosítja. A mikrotubulusok depolimerizációjának hatására a ciszternák „szétválnak”, eltávolodnak egymástól, a sejt különböző területeire (de mindig az ER közelébe) lokalizálódnak. Másrészt speciális, úgynevezett Golgi-mátrix fehérjék is szerepet játszanak benne, melyek a ciszternák között hálózatot alkotnak, vázszerűen egymáshoz rögzítik az egymás után elhelyezkedő zsákok membránját, sőt, a közöttük közlekedő vezikulákat sem engedik túl messzire „kóborolni”. A sejtosztódás során a mikrotubulus-hálózat átrendeződik, a Golgi-mátrix fehérjék pedig a mitóziskor aktiválódó kinázok hatására foszforilálódnak. Ennek az az eredménye, hogy a Golgi-készülék ciszternái fragmentálódnak és szétoszlanak a citoplazmában – a létrejövő két új sejtbe valamennyi komponensből jut. A mikrotubulusok később újra az interfázisra jellemző struktúrába rendeződnek, a Golgi-mátrix fehérjék defoszforilálódnak: az új Golgi-készülék összeáll. Méretének (membrán-felszínének) növekedését az újra meginduló fehérje-és lipidszintézis biztosítja az ER irányából.

Közlekedés a Golgi-készüléken belül

Elektronmikroszkópos felvételeken a Golgi-készülék ciszternái között és környékén számtalan vezikulát figyelhetünk meg (6. ábra).

6. ábra A Golgi-készülék elektronmikroszkópos szerkezete. A: Transzmissziós elektronmikroszkópos felvétel egy emberi leukocita Golgi-készülékéről. B: Fagyasztva-töréses feltárás után készült pásztázó elektronmikroszkópos felvétel egy tengerimalac spermatocitájának Golgi-készülékéről.

Évtizedekig tartotta magát az az elképzelés, hogy a vezikulák többsége a szekréciós és membránfehérjék CGN-től az egymás utáni ciszternákon keresztül a TGN-ig haladó anterográd transzportját bonyolítja. Eszerint maguk a ciszternák állandónak tekinthető képletek, a szekréciós fehérjék pedig vezikulákban „utaznak” a Golgi-készülék állomásai között. Ezt nevezik vezikuláris transzport-modellnek. Az egyes ciszternákból „megszökött” enzimek és a membránalkotók visszajuttatását biztosító retrográd transzport ugyanúgy COPI-burkos vezikulák által zajlik, ahogyan az ER-Golgi között is. Igaz, hogy a COPI fehérjéken kívül a ciszternák között más típusú burokfehérjét nem sikerült kimutatni, de a szállított komponensek szelektivitását az is biztosíthatja, ha a burokfehérje ugyanaz, de más-más adapterfehérjékkel kölcsönhatásban görbíti a membránt.

A mai felfogás szerint azonban a Golgi-készüléken belüli anyagáramlást inkább az úgynevezett ciszterna-érési vagy ciszterna-progressziós modellel magyarázzák. Eszerint nem a szekréciós és membránfehérjék mozognak külön-külön, vezikulákba csomagolva, hanem maguk a ciszternák „vonulnak” előre, és ennek során folyamatosan változik enzim- és lipid-összetételük (7. ábra).

7. ábra A Golgi-készüléken belüli anyagáramlás modelljei. A vékony fekete nyilak a helyváltoztatás irányát jelzik, míg a vastag világoskék nyilak az időbeli változásokat. A vezikuláris transzport modell szerint a szekréciós fehérjék vezikulákba csomagolódva haladnak ciszternáról ciszternára, az egyes Golgi-enzimek helyben maradnak. Retrográd transzporttal csak a membránkomponensek (és a „megszökött”, korábbi kompartmentekben működő enzimek) közlekednek. A ciszterna-érési modell szerint a szekréciós fehérjék ugyanabban a ciszternában haladnak végig a készüléken (egy ilyen ciszterna van rózsaszínnel kiemelve), vagyis az anterográd transzport során maguk a ciszternák mozognak. Körülöttük folyamatosan, megfelelő sorrendben cserélődnek a Golgi-enzimek, melyeket a retrográd transzport vezikulái szállítanak.

Az előző elképzeléssel szemben ez egy dinamikus Golgi-modell. A folyamat kezdetén a vezikuláris-tubuláris klaszterek egyesüléséből létrejövő CGN tehát teljes egészében módosul. A visszafelé, az ER irányába induló COPI-burkos vezikulákban távoznak, míg a következő Golgi ciszterna felől, szintén COPI-es vezikulákban érkeznek fehérjék: elsősorban a cisz-Golgi ciszternára jellemző enzimek. A következő lépésben a most már cisz-Golgi ciszternaként „viselkedő” kompartmentből retrográd transzporttal a cisz-Golgi enzimei távoznak, helyettük megérkeznek a mediális ciszternák komponensei, és így válik ugyanaz a tér transz-Golgi ciszternává, majd TGN-né.

Ezek szerint úgy kell elképzelnünk a szekréciós fehérjék érését, hogy valójában nem mozdulnak ki az első állomáshelyről, ahová az ER-ből érkeztek: csak a környezetük, az őket módosító enzimek változnak folyamatosan, és a ciszterna, amelyben vannak, folyamatosan mozog a mikrotubulus-hálózat mentén a plazmamembrán felé. A ciszternák körüli COPI-es vezikulák pedig valamennyien retrográd transzportot bonyolítanak, a soron következő érő ciszternába viszik vissza a módosító fehérjéket.

Bár elsőre talán meghökkentő ez a modell, de sok tény támasztja alá. Régóta kérdés volt, hogy a nagy komplexek – például a kollagén szintézise során kialakuló prokollagén aggregátumok – hogyan jutnak tovább, hiszen fizikailag nem férnének be a vezikulák kis terébe, nem is azonosítottak soha prokollagén tartalmú vezikulát. Újabban sikerült kimutatni, hogy a cisz- vagy transz-Golgi ciszternára jellemző, fluoreszcens riporterfehérjével jelölt rezidens enzimek ténylegesen nem ugyanabban a kompertimentumban vannak folyamatosan, hanem vándorolnak a Golgi-készüléken belül. Emellett a Golgi-készülék körüli vezikulákból csak minimális mennyiségben sikerült szekréciós fehérjét kimutatni, ugyanakkor tele vannak a Golgi-készülékben működő enzimekkel. A ciszterna-érési modellben logika is van: egyszerűbb a nagy tömegben szintetizálódó szekréciós fehérjéket együtt mozgatni, és csak a jóval kisebb mennyiségű módosító enzimeket „fuvarozni” a ciszternák között.

Sok a megválaszolatlan kérdés ez utóbbi elképzeléssel kapcsolatban is: például a statikus modellnél jól magyarázható a mikrotubulus-hálózat szerepe, de ciszterna-érési modell esetében nem ismerik még pontosan azt a mechanizmust, amellyel a Golgi-mátrix követi a dinamikusan változó összetételű és funkciójú ciszternák mozgását. Az is lehetséges, hogy mindkét folyamat jelen van a szekréciós fehérjék szállítása során: egyes fehérjék gyorsabban érnek és anterográd irányban, vezikulákban jutnak a következő ciszternába, míg a nagy többség helyben marad, és megvárja, míg az enzimek cserélődnek ki körülötte.

Golgi-készülékben zajló módosító folyamatok

A plazmamembránba és a sejten kívüli térbe kerülő fehérjék többsége tartalmaz kovalens kötéssel kapcsolódó cukor-oldalláncot. A Golgi-készülék egyik fő feladata a glikoproteinek és glikolipidek cukor-tartalmának formálása - ennek megfelelően a sok glikoproteint szekretáló nyálkatermelő sejtekben igen fejlett Golgi-készülék található.

A glikoproteinek és glikolipidek nagy aránya és cukor-oldalláncaik sokfélesége jelzi a glikoziláció fontosságát. A cukor-oldalláncok sokkal kevésbé flexibilisek, mint a peptidek, a sejt felszínén ezért védőburkot (glikokalix) képesek alkotni: nem engedik a fehérjelánc közelébe az extracelluláris tér proteolitikus enzimeit. A nagy cukortartalmú nyálkaréteg a patogénekkel szembeni ellenállást is növeli. Ez lehetett a glikoziláció ősi feladata: az eukarióta sejt megszabadulhatott a prokariótákra jellemző rigid sejtfaltól, ugyanakkor a plazmamembrán nem maradt védelem nélkül. A sejtfelszíni cukor-oldalláncok sejttípusra jellemző összetétele és az őket felismerő fehérjék, a lektinek fontos szerepet játszanak számos élettani folyamatban, például a sejtek vándorlásában és adhéziójában. Közismert a cukorláncok szerepe a fehérjék antigén tulajdonságainak kialakításában. A glikoproteinek kétféleképpen kaphatják meg cukor-részüket: N-glikozidos kötés révén, amely az ER-ben jöhet létre, az x fejezetben ismertetett módon, vagy O-glikozidos kötéssel, amely elsősorban a Golgi-ciszternákban, és kismértékben a citoszolban alakulhat ki.

Az emberi genomban több száz glikozil-transzferáz gén található, amelyek eltérő expressziós mintázatot mutatnak a különböző sejttípusokban. Ugyanaz a fehérje vagy lipid más és más cukor-oldalláncot kaphat a sejt differenciálódása során is. A cukor-oldalláncok szintézisével és módosításával kapcsolatban kevés ismeretanyag áll rendelkezésre, intenzív kutatások folynak ezen a tudományterületen is. Egyelőre jórészt ismeretlen az a „kód”, amely meghatározza, hogy egy fehérje melyik aminosavára, és milyen összetételű cukorlánc kerüljön.

Az N-glikozidos cukor-oldalláncok módosítása

Az 6. fejezet részletesen leírja, milyen ellenőrzési lépések után haladhat tovább egy fehérje az ER-ből. A kontrollban fontos szerepet játszik az N-glikoziláció. Az eredetileg egységes szerkezetű, 14 cukormolekulából felépülő oldallánc a megfelelően összeszerelődött fehérjéken a Golgi-készülék területére érkezve még mindig egyforma: az oligoszacharid „fácska” két N-acetil-glükózaminból és nyolc mannózból áll. Miután a minőség-ellenőrzésben már betöltötte szerepét, a szekréciós út további állomásain szabadon változtatható. Bár a törzsét alkotó öt cukor végig megmarad, a Golgi-készülék egyes ciszternáiban lépésről lépésre intenzív módosítások zajlanak (8. ábra).

8. ábra Az N-glikozilált fehérjék cukor-odalláncainak sorsa a Golgi-készülékben (TGN: transz-Golgi hálózat). Az ábrán egy transzmembrán fehérje sematikus rajza látható, egyetlen cukor-oldalláncal. Valójában egyetlen fehérje is sok helyen glikozilálódhat, és az egyes oldalláncok más-másképpen módosulhatnak.

Valamennyi Golgi-rezidens cukor-módosító enzim transzmembrán fehérje, ezek sokszor komplexeket képeznek. Minden ciszternára más glikozidázokból és glikozil-transzferázokból álló enzimkészlet jellemző, de ez inkább nagyobb feldúsulást, mint kizárólagos lokalizációt jelent az adott kompartment membránjában. Az egyes enzimek által katalizált reakciók egymásra épülnek: például a középső Golgi-ciszternák enzimeinek csak az a fehérje lehet szubsztrátja, amely már átesett a cisz-Golgi-specifikus folyamatokon.

A Golgi-készülék egyes szakaszaiban zajló enzim-aktivitást biokémiai és elektronmikroszkópos vizsgálatok derítették fel. A CGN-ben elsősorban foszforilálás zajlik, a lizoszómába irányított fehérjék kapják itt meg mannóz-6-foszfát szignáljukat (lásd később). A cisz-Golgi területén (azaz, amikor a ciszterna-érési modell alapján a CGN-fázisban lévő kompartment cisz-Golgi-ciszternává alakul) mannozidázok kurtítják meg az N-glikozidos kötésű oligoszacharid láncot, majd a későbbi fázisokban, a mediális illetve transz-Golgi ciszternákban és a TGN-ben az oldalláncokra újra mannóz és egyéb cukormolekula, galaktóz, fukóz, N-acetil-glükózamin vagy N-acetil-neuraminsav (sziálsav) rakódhat rá (9. ábra).

9. ábra Az N-glikozilált fehérjék cukor-odalláncainak módosulása a Golgi-készülék egyes ciszternáiban. A folyamatot a membránban lokalizált enzimek katalizálják, az újabb cukormolekulákat egymás után, egyesével rakják az oldallánc végére. A cukormolekulák aktivált formában, nukleitidokhoz kötődve érkeznek a módosítás helyére. (CMP: citozin-monofoszfát; UDP: uracil-difoszfát¸ CGN: ciszsz-Golgi hálózat; TGN: transz-Golgi hálózat).

A cukor-monomerek nukleotidhoz (általában UDP-hez vagy CMP-hez) kötődve, aktivált formában érkeznek a citoszol felől az adott ciszterna lumenébe, szállításukról a membránban található transzporterek gondoskodnak. Az oldallánchoz kapcsolódás egyesével történik, egy-egy specifikus transzferáz révén. Míg tehát az ER-ben egy részben a citoszolban, részben a lumenben előre megszintetizált, „előregyártott”, soktagú komplex cukor-oldallánc került a fehérjére, a Golgi-készülék területén az oldallánc módosítása, processzálása egyedi lépésekből álló, rendkívül összetett folyamat, szigorúan meghatározott sorrendben, és ahogy fentebb említettük, adott ciszternákhoz kötötten zajlik.

Animáció: Cukor-oldalláncok módosulása a Golgi-készülékben

Az O-glikozidos cukor-oldalláncok szintézise

Nem esett még szó a Golgi-készülékben lejátszódó O-glikozilációról. Egyes fehérjékre hidroxil-csoporton keresztül kapcsolódik cukorlánc, leggyakrabban valamelyik szerinre vagy treoninra. Az O-glikozidos kötés kialakításában és a cukorlánc növelésében aktivált cukor-nukleotidok hozzáadásával szintén membrán-kötött glikozil-transzferázok játszanak szerepet. A Golgi-ciszternákban szintetizálódó, O-glikozidos kötést tartalmazó fehérjék közül a legfontosabbak a mucinok és a proteoglikánok.

A mucinok nagy molekulasúlyú glikoproteinek, a nyálka fő komponensei, a testben található csatornák (légutak, emésztőtraktus, urogenitális rendszer) hámja termeli elsősorban védelem céljából. Aminosav-szekvenciájuk középső részén főleg szerin és treonin-tartalmú ismétlődések vannak, amelyekre a Golgi-készülékben több száz oligoszacharid oldallánc szintetizálódik.

A proteoglikánok fehérje-részének („core” protein) egyes szerinjeire először egy négy cukormolekulából álló lánc kapcsolódik, majd erre egyesével kerülnek rá a hosszú, el nem ágazó glükózaminoglikán polimert képező diszacharidok. Elsősorban oldalláncuk szerkezete alapján osztályozzák őket. A proteoglikánok általában erősen negatív töltéssel rendelkeznek, köszönhetően cukor-oldalláncaik uronsav-tartalmának és annak, hogy a TGN területén nagy arányban szulfát-csoportok kerülnek rájuk. Nagy a vízmegtartó képességük (a mucinokhoz hasonlóan), és a hosszú, rigid poliszacharid oldalláncoknak köszönhetően nagy az ellenállásuk az nyomóerővel szemben. Nagy a térkitöltésük, gélszerű állományt képeznek, amely lehetővé teszi az anyagok (ionok, kis molekulák metabolitok, például tápanyagok, hormonok) áramlását. Az extracelluláris mátrix fő komponensei, de sok proteoglikán integráns membránfehérje. A kötőszövetek alapvető alkotóelemei.

A lipidek módosítása a Golgi-készülékben

A plazmamembrán külső felszínét borító cukorláncokból álló réteg, a glikokalix kialakításában nemcsak membrán-kötött glikoproteinek, hanem glikolipidek is részt vesznek. Ezek túlnyomó része a szfingolipidek közé tartozó glikoszfingolipid: az ER membránjában szintetizálódó ceramidból (lásd 6. fejezet) a Golgi-készülék területén glikozil-transzferázok segítségével, oligoszacharid oldalláncnak a fejcsoporthoz kötésével jönnek létre. A cukormolekulák minősége és sorrendje alapján a glikoszfingolipidek is nagyon sokfélék lehetnek. A sejt felszínének védelme mellett szerepet játszanak a sejtek felismerési és jelátviteli folyamataiban is.

A szfingolipidek másik csoportját alkotó szfingomielinek szintén ceramidból képződnek. A transz-Golgi ciszterna területén a szfingomielin-szintetáz enzim egy foszfatidil-kolinról származó foszfokolin csoportot köt rá a ceramidra (a fejcsoport ritkábban foszfoetanolamin is lehet). A szfingomielinek – mint nevük is jelzi – nagy mennyiségben vannak jelen az idegsejtek axonjait körülvevő mielinhüvely membránjában, de valamennyi sejt plazmamembránjának alapvető alkotóelemei. Szintén szerepet játszhatnak a jelátvitelben is.

Az ER-ben szintetizálódó, a sejtmembrán extracelluláris felszínéhez fehérjéket rögzítő glikozil-foszfatidil-inozitol (GPI)-horgonnyal együtt a szfingolipidek nagy arányban fordulnak elő a sejthártya speciális területein, a lipid-tutajokban.