Was sind Endosomen?

Endosomen sind membrangebundene zytosolische Vesikel mit drei Hauptkompartimenten, nämlich dem frühen, späten und dem Recycling-Endosomen-Kompartiment. Endosomen sind integrale Bestandteile des endozytischen Prozesses und spielen daher eine entscheidende Rolle bei verschiedenen physiologischen Prozessen wie der Nährstoffaufnahme, der Sortierung und Abgabe von Makromolekülen und der Regulierung der Expression von Zelloberflächenrezeptoren und -transportern.

Bildnachweis:

Was sind Endosomen?

Eukaryontische Zellen nehmen Makromoleküle und andere Substanzen aus dem umgebenden Medium durch Endozytose auf. Ein Teil der Plasmamembran invaginiert, um die zu internalisierenden Substanzen zu verschlingen, die dann in die Zelle eindringen und ein Vesikel bilden, das die internalisierten Substanzen enthält.

Diese Vesikel werden dann mit frühen Endosomen verschmolzen, die das Hauptsortierkompartiment des endozytischen Weges darstellen. Von den frühen Endosomen werden die internalisierten Substanzen entweder zur Plasmamembran zurückgeführt oder zum Abbau zu den Lysosomen transportiert.

Frühe Endosomen enthalten zwei Arten von Domänen: tubuläre und vakuoläre. Späte Endosomen werden aus den vakuolären Domänen gebildet und befinden sich in der Nähe des Zellkerns. Substanzen, die für den lysosomalen Abbau bestimmt sind, werden durch endozytische Transportvesikel von den frühen Endosomen zu den späten Endosomen transportiert.

Transportvesikel, die lysosomale Hydrolasen aus dem trans-Golgi-Netzwerk (TGN) transportieren, verschmelzen dann mit späten Endosomen, was zur Reifung der späten Endosomen zu Lysosomen führt. In den Lysosomen katalysieren saure Hydrolasen den Abbau der internalisierten Substanzen.

Ein Teil der internalisierten Substanzen gelangt nicht in die späten Endosomen und wird schnell wieder zur Plasmamembran zurückgeführt. Solche Substanzen werden über Röhrchen mit engem Durchmesser aus dem sortierenden endosomalen Kompartiment in das endozytäre Recycling-Kompartiment überführt. Der Rücktransport von Substanzen zur Plasmamembran erfolgt durch Transportvesikel, die aus den endosomalen tubulären Domänen austreten.

Welche Funktionen haben Endosomen?

Endosomen spielen bei vielen wichtigen physiologischen Prozessen eine aktive Rolle. Eine der wichtigsten Funktionen von Endosomen ist die Regulierung der Expression von Transmembranrezeptoren/Transportern.

Transmembranrezeptor-Signalisierung

Die Bindung des Liganden an die extrazelluläre Domäne des Transmembranrezeptors setzt eine Kaskade von Signalereignissen in Gang, die für die Aufrechterhaltung der Kommunikation zwischen der intrazellulären und der extrazellulären Umgebung entscheidend sind. Nach der Aktivierung durch Liganden treten diese Transmembranrezeptoren in den endosomalen Weg ein, der das Schicksal der rezeptorvermittelten Signalereignisse bestimmt.

Der Rezeptor-Liganden-Komplex, der für die Internalisierung bestimmt ist, wird in einer spezifischen Plasmamembranregion, den mit Clathrin beschichteten Gruben, zusammengebaut. Diese Regionen weiten sich aus, um den Rezeptor-Ligand-Komplex zu umschließen, und lösen sich anschließend von der Plasmamembran, um mit Clathrin beschichtete Vesikel zu bilden. Dieser Prozess wird Endozytose genannt.

Diese Vesikel verschmelzen anschließend mit frühen Endosomen, in denen die Sortierung des internalisierten Rezeptor-Ligand-Komplexes erfolgt. Die durch das endosomale Netzwerk vermittelte Ausrichtung des internalisierten Komplexes auf den lysosomalen/proteasomalen Abbau führt zur Beendigung der rezeptorvermittelten Signalereignisse, während das Recycling des Rezeptors zurück zur Plasmamembran zur Fortsetzung der Signalereignisse führt.

Nährstoffaufnahme

Ein weiteres Beispiel für die rezeptorvermittelte endosomale Aktivität ist die zelluläre Aufnahme von Cholesterin über den Low-Density-Lipoprotein (LDL)-Rezeptor. Im Blut wird Cholesterin hauptsächlich als LDL transportiert, und die Aufnahme von LDL durch eukaryotische Zellen hängt von der Bindung von LDL an seinen Rezeptor ab, der sich in den mit Clathrin beschichteten Gruben befindet.

Nach der Internalisierung und Fusion zu frühen Endosomen löst sich der LDL-Rezeptor von seinem Liganden, dem LDL, und wird zur Plasmamembran zurückgeführt, während das LDL zu den Lysosomen transportiert wird, was zum Abbau von LDL und zur Freisetzung von Cholesterin für die zelluläre Verwendung führt. Das saure Milieu in den frühen Endosomen erleichtert den Prozess der Rezeptor-Ligand-Dissoziation.

Nervenimpulsübertragung

Endosomen sind von entscheidender Bedeutung für die Regulierung der Nervenimpulsübertragung zwischen Synapsen. Bei der Erzeugung des Aktionspotentials werden präsynaptische Vesikel mit der Plasmamembran verschmolzen, was zur Freisetzung von Neurotransmittern und zur Weiterleitung von Signalen an die postsynaptischen Neuronen führt.

Diese präsynaptischen Vesikel werden dann durch Endozytose von der Plasmamembran entfernt und von den frühen Endosomen aufgenommen, wo eine Regeneration der synaptischen Vesikel stattfindet. Diese neu gebildeten synaptischen Vesikel, die Neurotransmitter enthalten, werden dann wieder zur Plasmamembran zurückgeführt.

Clathrin-unabhängige Endozytose

Neben der endosomalen Aufnahme über Clathrin-beschichtete Gruben werden einige Membranproteine und extrazelluläre Flüssigkeiten über spezialisierte Vesikel, die sogenannten Caveolae, internalisiert. Diese Vesikel bestehen aus einem Protein namens Caveolin und sind im Lipid Raft der Plasmamembran angereichert.

Endosomen in menschlichen Krankheiten

Endosomale Funktionsstörungen werden mit vielen Gesundheitszuständen in Verbindung gebracht. So weisen beispielsweise Patienten mit Hypercholesterinämie einen hohen Cholesterinspiegel im Blut auf, der schließlich zu einem Herzinfarkt führen kann. Der hohe Cholesterinspiegel im Blut ist auf die Unfähigkeit zurückzuführen, LDL in die Zellen aufzunehmen. Zwei Mutationen im LDL-Rezeptor sind für den gestörten endozytischen Prozess verantwortlich.

Von den beiden Mutationen verhindert eine die Bindung von LDL an seinen Rezeptor, die andere die Anhäufung von LDL-Rezeptoren in den mit Clathrin beschichteten Gruben. Infolgedessen kann der LDL-LDL-Rezeptor-Komplex nicht internalisiert und durch den endosomalen Weg verarbeitet werden.

Bei Patienten mit Alzheimer-Krankheit wird die endosomale Dysfunktion mit frühen neurodegenerativen Merkmalen in Verbindung gebracht, einschließlich der proteolytischen Spaltung des Amyloid-Vorläuferproteins und der Bildung des toxischen Beta-Amyloid-Peptids.

Zitate