Las células eucariotas se caracterizan por el reparto ordenado y dirigido de moléculas entre sus diferentes compartimentos. En muchos casos este reparto está mediado por vesículas. Las vesículas son pequeños compartimentos delimitados por una membrana que viajan entre algunos orgánulos y entre algunos orgánulos y la membrana plasmática. El transporte vesicular supone una gran ventaja puesto que se pueden seleccionar de manera específica qué moléculas deben transportarse y a qué compartimento diana deben dirigirse.
Pueden ponerse ejemplos para ilustrar la especificidad: por ejemplo, las moléculas de fibronectina deben ir a la matrix extracelular, no a los lisosomas. Pero además, las moléculas que llegan en las vesículas a un orgánulo determinado son necesarias para establecer la identidad de ese orgánulo y por tanto para determinar las funciones que éste puede llevar a cabo. Por ejemplo, las enzimas hidrolíticas ácidas deben ir a los lisosomas, pero no a los endosomas tempranos, y las integrinas han de ir a la membrana plasmática pero no cualquier otra membrana interna.
Las vesículas se forman en el compartimento fuente y se cargan con aquellas moléculas que deben ser transportadas. Una vez liberadas en el citosol, las vesículas son dirigidas hacia el orgánulo o compartimento diana, al cual reconocen, y con el que finalmente se fusionan. Entonces, las moléculas transportadas formarán parte del orgánulo diana y serán las responsables de su función. Sin embargo, otras moléculas sólo estarán de paso en ese compartimento y serán empaquetadas de nuevo en otras vesículas para dirigirse a otro compartimento celular. Es lo que ocurre con algunas proteínas que viajan en vesículas desde el retículo endoplasmático, pasan por el aparato de Golgi, donde son empaquetadas en nuevas vesículas hacia otros compartimentos como la membrana plasmática o los endosomas. Algunas moléculas volverán desde el compartimento diana al compartimento fuente del que partieron en un transporte de reciclado. Hay que tener en cuenta que la mayoría de los compartimentos, orgánulos y membrana plasmática, funcionan tanto como compartimento fuente como compartimento diana al mismo tiempo. Es frecuente que cuando un compartimento envía vesículas a otro, suele recibirlas también de este último.
Figura 1. a) Moléculas para reconocer y atrapar a las moléculas que se han de transportar. Otras moléculas adicionales tienen como misión formar la vesícula a partir de las membranas del orgánulo fuente.
Formación de vesículas: tipos recubiertos y su sustrato
La formación de una vesícula en cualquier compartimento fuente es un proceso complejo. Figura 2. La formación de una vesícula es un proceso ordenado de reclutamiento de moléculas. Este proceso depende del tipo de vesícula. Los mecanismos mejor conocidos son los de las denominadas vesículas recubiertas por clatrina, COPI y COPII (Figuras 2 y 3).
Clatrina. Las invaginaciones en la membrana plasmática con cubiertas de clatrina se identificaron en 1964 por Roth y Porter. En las vesículas recubiertas por clatrina la nucleación se inicia mediante una concentración alta y localizada del fosfoinosítido PI(4,5)P2 a plasmática que captan a las moléculas adaptadoras AP-1, del fosfoinosítido PI4P en el lado trans del aparato de Golgi que captan a las proteínas adaptadoras AP-2, y de PI3P en los endosomas que captan a otras proteínas adaptadoras llamadas G-clathrin. Todas estas proteínas adaptadoras captarán a las cargas de manera específica y favorecerán la captura y formación de la cubierta de clatrina, que es similar para todas ellas.
COPII y COPI. En las vesículas COPII la nucleación se produce mediante el reclutamiento de proteínas GTPasas Sar a la membrana del retículo endoplasmático. Aunque esto ocurre en lugares concretos de la membrana denominados sitios de exportación, no se sabe cómo se inicia el proceso. Las proteínas Sar son pequeñas moléculas que se activan por las GAPs y se inactivan mediante la hidrólisis del GTP por las GEFs. En las vesículas COPII, cuando las moléculas Sar son activadas en la membrana del orgánulo fuente se encargan de reclutar a otras proteínas encargadas de seleccionar de manera específica a las proteínas que deberán incorporarse en la vesícula para ser transportadas, y a las que formarán la cubierta. Este ensamblaje se hace en dos etapas, primero las de la cubierta interna (Sec23/24) y luego los de la cubierta externa (Sec13/31). En el caso de las vesículas COPI, las cuales se forman en el aparato de Golgi y los ERGIC, son las proteínas GTPasas Arf activadas las que atraen a toda la cubierta de COPI de una vez. La activación e inactivación de las proteínas Arf se produce por GAPs y GEFs, respectivamente.
La polimerización de estas proteínas y la interacción con las cargas transportadas genera un complejo estable que recluta las proteínas de la cubierta externa (Sec13 y Sec31 en COPII). Estas cubiertas permiten formar una geometría flexible para acomodar cargas de diferentes tamaños. En una vesícula se puede viajar de tres maneras: como proteína transmembrana, como ligando unido a un receptor y como molécula disuelta en el contenido de la vesícula. Las proteínas adaptadoras reconocen secuencias señal en los dominios citosólicos de las proteínas transmembrana y a veces las proteínas del interior del orgánulo fuente que deben ser transportadas, estableciendo así la especificidad de la carga.
Las cargas pueden ser integrales de membrana o solubles; en este último caso requieren receptores transmembrana para ser captadas. El conjunto inicial de proteínas (GTPasas, adaptadores, cargas, etcétera) se asocian formando agregados en la membrana. Cuando se alcanza una concentración crítica se dispara el reclutamiento de otras proteínas que terminarán de formar la cubierta. A este momento se le llama punto de transición, y una vez alcanzado la vesícula se formará. Si no se pasa el punto de transición las moléculas que forman los agregados iniciales pueden volver a segregarse en la membrana. Aparentemente, el número de cargas que ha conseguido reunir la vesícula es importante para que termine de formarse la vesícula. Si no es suficiente la vesícula no ser formará.
Entre las proteínas de la cubierta externa están aquellas que permiten entrelazar todo el entramado proteico existente, curvar la membrana y dar volumen a la vesícula incipiente, servir de centros de nucleación de actina o permitir desnudar a la vesícula de estas cubiertas tras la escisión. La escisión es la separación de la vesícula de la membrana madre. Curvar la membrana de una vesícula y escindirla del compartimento fuente es un proceso coordinado que requiere energía y la participación de varias proteínas. Por ejemplo, hay proteínas que ayudan a las proteínas de la cubierta externa y que se insertan en una monocapa de la membrana gracias a unas secuencias de aminoácidos denominadas BAR que son capaces de generar curvatura en diferentes momentos de la formación de la vesícula. Por ejemplo, la proteína GTPasa Sar1 participa en la fase inicial de la curvatura. La polimerización de filamentos de actina y la acción de la miosina son también necesarios para generar fuerzas motoras que ayudan en la protusión y posteriormente en la escisión de las vesículas recubiertas por clatrina. La escisión o la independencia física de la vesícula respecto al compartimento fuente requiere de curvatura, fuerza motora, pero también de otras proteínas denominadas dinaminas que estrangulan la comunicación membranosa entre el compartimento fuente y la vesícula. Las vesículas recubiertas por COPII no precisan ni de dinamina ni de filamentos de actina para su formación.
Eliminación de la cubierta y transporte hacia el destino
Tras la separación del compartimento fuente se produce la eliminación de la cubierta. Hay dos mecanismos que favorecen la eliminación de las proteínas de la cubierta de la clatrina: una la acción de chaperonas, como la HSC70, la otra es la defosforilación de PI(4,5)P2. La HSC70 se incorpora en la fase de escisión de la vesícula. Tras la separación del compartimento fuente, y la liberación de la cubierta, la vesícula es dirigida hacia el compartimento diana. Este viaje está mediado por proteínas motoras y elementos del citoesqueleto, tanto filamentos de actina como microtúbulos. En las células animales los microtúbulos juegan un papel importante en el tráfico de las vesículas, aunque también participan los filamentos de actina.
Mecanismo de fusión y reconocimiento con el compartimento diana
El mecanismo de fusión de una vesícula con su compartimento diana es complejo. Ha de ser selectivo puesto que la célula ha de asegurarse de que una vesícula sólo se fusiona con aquel compartimento para el que las moléculas que transporta han sido destinadas. Pero además, abrir y fusionar membranas supone saltar una barrera termodinámica importante. El primer paso es un reconocimiento inicial o anclaje (tethering). Este reconocimiento inicial es similar al de una caña de pescar anclada en el compartimento diana que reconoce y ancla una vesícula que tiene unas determinadas moléculas. Hay distintos tipos complejos: Golginas, CORVET, Dsl1, exocysto, GARP/VFT, HOPS/Class C VPS, TRAPPI y TRAPPII, que se distribuyen de forma selectiva en distintos compartimentos. Estos complejos pueden cambiar entre estado estirado y contraído, pudiendo medir más de 200 nm de longitud. Las golginas se extienden desde las membranas del Golgi y permiten capturar vesículas que se formaron en otros compartimentos; la localización de estas golginas facilita la selección de vesículas adecuadas para cada dominio del Golgi.
Otras proteínas actúan después llamadas proteínas MTC que acercan aún más la membrana vesicular a la membrana del compartimento diana para que se pueda dar otro reconocimiento adicional entre las proteínas SNARE. Las SNARE son proteínas transmembrana (en humanos hay 37 diferentes) de las cuales hay dos tipos: v-SNARE y t-SNARE. La interacción entre v-SNARE y t-SNARE provoca un acercamiento mayor de las membranas y libera la energía necesaria para la fusión. Sin embargo, para la fusión de la membrana vesicular y del compartimento diana, otras proteínas cooperan con las SNARE.
La complejidad de estas capas y las proteínas accesorias que las construyen desafía explicaciones simples. Preguntas abiertas se refieren a por qué se necesitan capas separadas para los tres tipos de transporte, qué tipos de vesículas necesitan las diferentes capas y qué ventajas específicas ofrecen las distintas capas para el transporte direccional. Investigaciones futuras con mayor resolución sin duda aportarán más conocimiento sobre el transporte vesicular.
Transporte vesicular: formación y fusión de vesículas
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