Fusionsmekanism
En fusionsmekanism är vilken mekanism som helst genom vilken cellfusion eller virus-cellfusion äger rum, såväl som maskineriet som underlättar dessa processer. Cellfusion är bildandet av en hybridcell från två separata celler. Det finns tre huvudåtgärder vid både virus-cellfusion och cell-cell-fusion: uttorkning av polära huvudgrupper, främjande av en hemifusionsstjälk och öppning och expansion av porer mellan fusionsceller. Virus-cellfusioner inträffar vid infektioner av flera virus som är relevanta för hälsan idag. Några av dessa inkluderar hiv , ebola och influensa . Till exempel infekterar HIV genom att smälta samman med membranen i immunsystemets celler . För att HIV ska smälta samman med en cell måste den kunna binda till receptorerna CD4 , CCR5 och CXCR4 . Cellfusion sker också i en mängd däggdjursceller inklusive gameter och myoblaster .
Virala mekanismer
Fusogens
Proteiner som tillåter virus- eller cellmembran att övervinna barriärer för fusion kallas fusogener . Fusogener involverade i virus-till-cell-fusionsmekanismer var de första av dessa proteiner som upptäcktes. Virala fusionsproteiner är nödvändiga för att membranfusion ska ske. Det finns bevis för att förfäder av däggdjur kan ha införlivat samma proteiner i sina egna celler som ett resultat av infektion. Av denna anledning används liknande mekanismer och maskiner i cell-cellfusion.
Som svar på vissa stimuli, såsom lågt pH eller bindning till cellulära receptorer, kommer dessa fusogener att ändra konformation. Konformationsförändringen tillåter exponering av hydrofoba regioner av fusogenerna som normalt skulle vara dolda internt på grund av energetiskt ogynnsamma interaktioner med cytosolen eller extracellulär vätska . Dessa hydrofoba regioner är kända som fusionspeptider eller fusionsloopar, och de är ansvariga för att orsaka lokaliserad membraninstabilitet och fusion. Forskare har funnit att följande fyra klasser av fusogener är involverade i virus-cell- eller cell-cell-fusioner.
Klass I fusogener
Dessa fusogener är trimeriska , vilket betyder att de är gjorda av tre underenheter . Deras fusionsslingor är gömda internt vid förbindelserna mellan monomererna innan fusion äger rum. När sammansmältningen är klar, återveckas de till en annan trimerisk struktur än strukturen de hade före sammansmältningen. Dessa fusogener kännetecknas av en grupp om sex a-helixar i sin postfusionsstruktur. Denna klass av fusogener innehåller några av de proteiner som används av influensa , HIV , coronavirus och ebola under infektion. Denna klass av fusogener inkluderar också syncytiner , som används i däggdjurscellfusioner.
Klass II fusogener
Klass II fusogener innehåller flera β-veckade ark . Dessa proteiner är också trimera och deltar i införandet av fusionsslingor i målmembranet. Deras konformationsförändringar kan utlösas av exponering för sura miljöer. Klass II-fusogener har en struktur som skiljer sig från Klass I-fusogener, men sänker på liknande sätt energibarriären för membranfusion. Klass I fusogener är involverade i flavivirus ( fästingburen encefalit) ; alfavirus ( Semliki Forest-virus , Sindbis-virus , chikungunya och röda hund ); och flebovirus ( Rift Valley fever virus och Uukuniemi virus ).
Klass III fusogener
Klass III-fusogener är involverade i virus-cellfusioner. Ungefär som fusogener i de två föregående klasserna är dessa proteiner trimera. Emellertid innehåller de både α-helixar och β-veckade ark. Under cellfusion kommer monomererna av dessa proteiner att dissociera men kommer att återgå till en annan trimerisk struktur efter att fusionen är fullbordad. De är också involverade i införandet av fusionsslingor i membranet.
Klass IV fusogener
Dessa reovirala cell-cell-fusogener innehåller fusionsslingor som kan inducera cellfusion. De bildar polymera strukturer för att inducera fusion av membran. Reovirus har inte själva membran, så klass IV-fusogener är vanligtvis inte involverade i traditionell virus-cellfusion. Men när de uttrycks på ytan av celler kan de inducera cell-cellfusion.
Klass I–III mekanism
Fusogenerna i klasserna I–III har många strukturella skillnader. Metoden de använder för att inducera membranfusion är emellertid mekaniskt lik. När de aktiveras bildar alla dessa fusogener långsträckta trimera strukturer och begraver sina fusionspeptider i målcellens membran. De är säkrade i det virala membranet av hydrofoba transmembranregioner. Dessa fusogener kommer sedan att vikas in i sig själva och bilda en struktur som påminner om en hårnål. Denna vikningsverkan bringar transmembranområdet och fusionsslingan intill varandra. Följaktligen dras det virala membranet och målcellsmembranet också nära varandra. När membranen förs närmare varandra uttorkas de, vilket gör att membranen kan komma i kontakt. Interaktioner mellan hydrofoba aminosyrarester och de intilliggande membranen orsakar destabilisering av membranen. Detta tillåter fosfolipiderna i det yttre lagret av varje membran att interagera med varandra. De yttre broschyren på de två membranen bildar en hemifusionsstjälk för att minimera energetiskt ogynnsamma interaktioner mellan hydrofoba fosfolipidsvansar och miljön. Denna stjälk expanderar, vilket gör att de inre bladen på varje membran kan interagera. Dessa inre broschyrer smälter sedan samman och bildar en smältpor. Vid denna tidpunkt börjar de cytoplasmatiska komponenterna i cellen och viruset att blandas. När fusionsporen expanderar fullbordas virus-cellfusion.
Däggdjurscellfusionsmekanismer
Även om det finns mycket variation i olika fusioner mellan däggdjursceller, finns det fem stadier som inträffar i de flesta av dessa fusionshändelser: "programmering av fusionskompetent status, kemotaxi, membranvidhäftning, membranfusion och återställning efter fusion."
Programmering av fusionskompetent status
Detta första steg, även känt som priming, omfattar de nödvändiga händelserna som måste äga rum för att celler ska få förmågan att smälta samman. För att en cell ska bli fusionskompetent måste den manipulera sammansättningen av dess membran för att underlätta membranfusion. Det måste också konstruera nödvändiga proteiner för att förmedla fusion. Slutligen måste det eliminera hinder för fusion. Till exempel kan en cell frigöra sig från den extracellulära matrisen för att tillåta cellen mer motilitet för att underlätta fusion.
Monocyter, makrofager och osteoklaster
Monocyter och makrofager kan bli fusionskompetenta som svar på cytokiner , som är proteinsignalerande molekyler. Vissa interleukiner får monocyter och makrofager att smälta samman för att bilda jätteceller från främmande kroppar som en del av kroppens immunsvar. Till exempel kan interleukin-4 främja aktiveringen av transkriptionsfaktor STAT6 genom fosforylering. Detta kan sedan utlösa uttryck av matrismetalloproteinas 9 ( MMP9 ). MMP9 kan bryta ned proteiner i den extracellulära matrisen, vilket hjälper till vid priming av makrofager för fusion.
Osteoklaster är flerkärniga benresorberande celler. De bildas genom sammansmältning av differentierade monocyter, ungefär som jätteceller från främmande kroppar. Molekylerna som inducerar fusionskompetens i makrofager som är avsedda att bli osteoklaster skiljer sig dock från de som främjar bildningen av främmande kroppsjätteceller. Till exempel reglerar transkriptionsfaktor NFATC1 gener som är specifika för osteoklastdifferentiering.
Haploida celler
Zygotbildning är ett avgörande steg i sexuell reproduktion, och det är beroende av sammansmältning av spermier och äggceller. Följaktligen måste dessa celler förberedas för att få fusionskompetens. Fosfatidylserin är en fosfolipid som vanligtvis finns på det inre lagret av cellmembranet. Efter att spermiecellerna har primerats kan fosfatidylserin hittas på membranets yttre broschyr. Man tror att detta hjälper till att stabilisera membranet i spermiernas huvud, och att det kan spela en roll för att låta spermierna komma in i zona pellucida som täcker äggcellerna. Denna ovanliga placering av fosfatidylserin är ett exempel på membranomstrukturering under priming för cellfusion.
Kemotaxi
Kemotaxi är processen för rekrytering som svar på närvaron av vissa signalmolekyler. Celler som är avsedda att smälta attraheras till varandra via kemotaxi. Till exempel attraheras spermier till äggcellen genom signalering av progesteron. På liknande sätt, i muskelvävnad, kan myoblaster rekryteras för fusion av IL-4.
Membran vidhäftning
Innan celler kan smälta samman måste de vara i kontakt med varandra. Detta kan åstadkommas genom celligenkänning och fastsättning av cellulärt maskineri. Syncytin-1 är en klass I-fusogen involverad i fusionen av celler för att bilda osteoklaster hos människor. Under de tidiga verkan av klass I-fusogener i cellfusion, infogar de sina fusionsslingor i ett målmembran. Följaktligen är verkan av syncytin-1 ett exempel på membranvidhäftning eftersom det länkar de två cellerna samman för att förbereda dem för fusion. Detta steg omfattar även uttorkning av membranen vid fusionsstället. Detta är nödvändigt för att övervinna de energikrav som krävs för fusion och för att säkerställa att membranen är mycket nära för att fusion ska kunna ske.
Membranfusion
Membranfusion kännetecknas av bildandet av en fusionspor , som gör att det interna innehållet i båda cellerna kan blandas. Det åstadkoms först genom blandning av lipider i de yttre skikten av smältmembranen, som bildar en hemifusionsskaft. Då kan de inre broschyren interagera och smälta samman, vilket skapar ett öppet gap där membranen har smält. Detta gap är fusionsporen. Denna process förmedlas av fusogener. Fusogener är mycket konserverade i däggdjur, och det är teoretiskt att däggdjur adopterade dem efter infektion med retrovirus. Eftersom de är mycket konserverade utför de sin uppgift genom en liknande mekanism som den som används av virala fusogener som tidigare beskrivits. Det är teoretiskt att aktinpolymerisation och andra handlingar av cytoskelettet kan hjälpa till att vidga fusionsporen för att fullständig fusion.
Återställning efter fusion
Efter avslutad fusion måste maskineriet som används för att fusionera demonteras eller ändras för att undvika fusion av den nya, flerkärniga cellen med fler celler. Ett exempel på detta är den slutliga trimera strukturen som tas på av klass I, II och III fusogener. De antar var och en en struktur som skiljer sig markant från deras form innan fusion inträffade. Detta förändrar sannolikt deras aktivitet, vilket hindrar dem från att initiera en annan fusion. [ citat behövs ]