Tráfico a través del aparato de Golgi y extensión apical en Aspergillus nidulans

Abstract

[EN]The secretory pathway is a cellular process that is used to package certain protein molecules that are synthesized inside of the cell and are shipped out of the cell, to the plasma membrane (PM) or to the endosomes. Initially, newly synthesized proteins enter the endoplasmic reticulum (ER) by a process known as translocation. In the ER, cargo proteins are properly folded and some of them undergo N-glycosylation [1] or acquire a covalently attached glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor [2]. Next, cargoes exit the ER in COPII (coat protein complex-II) vesicles bound for the Golgi apparatus [3]. The initial interaction of this vesicle with a nascent cisterna of the Golgi is mediated by tethering factors and membrane fusion is facilitated by SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) proteins. Once in the Golgi the N-glycans bound to proteins are modified and extended [4, 5]. The Golgi complex consists of a network of compartments or cisternae that organize intracellular traffic. The identity and functions of these cisternae are determined by small GTPases; mainly members of the Rab [6] family or the Arf/Sar family [7, 8]. These enzymes are recruited to the cytosolic face of the Golgi membrane and thus activated upon GTP binding, and become soluble and inactive by hydrolysis of the GTP. GTP hydrolysis is stimulated by interaction with a GTPase-activating protein (GAP) whereas GDP to GTP exchange is stimulated by GTPase exchange factors (GEFs). Each GTPase recruits specific effectors to the Golgi apparatus, such as tethering factors, coat complexes and GEF or GAP proteins, each of them performing diverse functions. Cargo molecules traverse the Golgi eventually reaching the late Golgi (also known as trans-Golgi, TGN) where proteins and lipids are sorted into distinct transport carriers (such as tubules or vesicles) that are targeted to various destinations, such as the endosomes or the PM. Secretory vesicles can be delivered to specific regions of the PM, as it happens in polar secretion in fungi [12] or in the apical or basolateral exocytosis that takes place in epithelial cells [11]. It is also known that at least one branch of the yeast secretory pathway transits through endosomes before reaching the cell surface [13]. In summary, newly synthesized proteins are modified in the ER before reaching the Golgi apparatus, where they acquire more posttranslational modifications and are sorted to their final destinations: extracellular space, PM and endosomes.

Cytoskeleton plays an important role in the secretory pathway. In mammals and filamentous fungi microtubules and actin cables cooperate to facilitate intracellular movement of transport carriers. However, yeast cells do not seem to use microtubules for trafficking functions, as they only require actin cables for efficient exocytosis [14]. Secretory vesicles are attached to cellular motors (dynein and kinesin-1 for microtubule interactions and myosin-5 to interact with actin) by Rabs, directly or through their effectors, [14, 15]. The filamentous fungus Aspergillus nidulans is a well-suited model organism to study the secretory pathway [16, 17]. Hyphal growth is driven exclusively by apical extension. Cell wall synthesizing enzymes and the membrane required for cell expansion are delivered to the apex by exocytosis. This mode of growth and its heavy dependence on exocytosis represent an important experimental advantage, because mutations impairing exocytosis delay or preclude polarity establishment or result in a tip swelling [18].

[ES]La ruta secretora es un proceso celular por el que determinadas proteínas maduran postraduccionalmente y son enviadas a los endosomas, al exterior celular o distribuidas en la membrana plasmática. Esta ruta comienza con la entrada de las proteínas recién sintetizadas al retículo endoplasmático (RE), donde se pliegan y sufren modificaciones postraduccionales, como la N-glicosilación [1] o el anclaje a glicosil fosfatidilinositol (GPI) [2]. A continuación las proteínas (cargos) viajan desde el RE al aparato de Golgi en vesículas recubiertas por el complejo proteico COPII (coat protein complex-II) [3]. Los llamados factores de anclaje o tethering las acercan a las cisternas en formación y la fusión de las vesículas con las cisternas ocurre gracias a la función de proteínas SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor). En el Golgi las cadenas de N-oligosacáridos se modifican y extienden [4, 5]. El aparato de Golgi es un conjunto de cisternas que organizan el tráfico intracelular, cuya identidad y funciones subyacentes están controladas por GTPasas pequeñas de la familia Rab [6] y de la familia Arf / Sar [7, 8]. Estas enzimas se reclutan a la cara citosólica de las membranas del Golgi al cargarse con GTP y se inactivan y liberan de dicha membranas al hidrolizar el GTP. Estos dos eventos de carga e hidrólisis están regulados por los factores intercambiadores de nucleótidos de guanina (GEF) y por las proteínas estimuladoras de la actividad GTPásica (GAP), respectivamente. Cada GTPasa recluta un conjunto de proteínas efectoras (factores de tethering, proteínas de cubierta y proteínas GEFs y GAPs, entre otros) a través de los cuales se ejecutan diversas funciones. Después de pasar por las cisternas del Golgi temprano o cis-Golgi, el cargo llega al Golgi tardío o trans-Golgi (TGN). Desde el TGN, el cargo, posiblemente concentrado en subdominios especializados [9], es reconocido y enviado a su destino final (los endosomas o la membrana plasmática) [10] en túbulos o en vesículas. Las vesículas secretoras pueden dirigirse a una región concreta de la membrana plasmática, como por ejemplo en los casos de las rutas de exocitosis apical o basolateral en células epiteliales [11] o en la secreción apical en hongos [12]. También se ha demostrado que existen proteínas específicas que llegan a la membrana plasmática o al exterior celular tras su paso por endosomas [13]. En resumen, las proteínas sintetizadas y modificadas en el RE viajan al aparato de Golgi, donde maduran y son clasificadas para su envío a su destino final, que puede ser, principalmente, el exterior celular, la membrana plasmática o el sistema endosomal. Por último, el citoesqueleto juega un papel importante en la ruta secretora. En mamíferos y hongos filamentosos los microtúbulos y los cables de actina cooperan en el tráfico intracelular. Sin embargo, en S. cerevisiae, la exocitosis requiere únicamente cables de actina [14]. Las vesículas secretoras se adaptan mediante Rabs, directamente o a través de sus efectores, a los motores (dineína y kinesina-1 para microtúbulos, miosina-5 para actina) que les permiten desplazarse a lo largo de los filamentos del citoesqueleto [14, 15]. Aspergillus nidulans es un organismo modelo del estudio de la ruta secretora [16, 17].

Se trata de un hongo filamentoso que crece exclusivamente por extensión apical gracias a la fusión con el ápice de sus hifas de vesículas de secreción, lo que aporta las membranas requeridas para el crecimiento celular y las enzimas necesarias para la síntesis de pared. El modo de crecimiento polarizado de las hifas y su dependencia de la exocitosis representan una ventaja experimental, ya que las mutaciones que perturban la exocitosis alteran el establecimiento de la polaridad de crecimiento o lo imposibilitan, lo que provoca una alteración morfológica en la región apical de las hifas [18].