Fagosom: Apa itu? Pembentukan, Struktur, Fungsi, Proses Pematangan dan Penanganan Bakteri

Fagosom: Apa itu? Pembentukan, Struktur, Fungsi, Proses Pematangan dan Penanganan Bakteri

Dalam biologi sel, itu adalah vesikel yang terbentuk di sekitar partikel yang diselimuti oleh fagosit melalui fagositosis.

Fagosit profesional termasuk makrofag , neutrofil, dan sel dendritik (DC).

Fagosom dibentuk oleh fusi membran sel di sekitar mikroorganisme, sel tua, atau sel apoptosis .

Fagosom memiliki protein terikat membran untuk merekrut dan menyatu dengan lisosom untuk membentuk fagolisosom dewasa.

Lisosom mengandung enzim hidrolitik dan spesies oksigen reaktif (SRO) yang membunuh dan mencerna patogen.

Fagosom juga dapat terbentuk menjadi fagosit non-profesional, tetapi mereka hanya dapat mencakup rentang partikel yang lebih kecil dan tidak mengandung spesies oksigen reaktif.

Bahan yang berguna (misalnya, asam amino) dari partikel yang dicerna pindah ke sitosol, dan limbah dikeluarkan melalui eksositosis .

Pembentukan fagosom sangat penting untuk homeostasis jaringan dan pertahanan inang bawaan dan adaptif terhadap patogen.

Namun, beberapa bakteri dapat memanfaatkan fagositosis sebagai strategi invasi.

Mereka bereproduksi di dalam fagolisosom (misalnya, Coxiella spp.) Atau melarikan diri ke dalam sitoplasma sebelum fagosom bergabung dengan lisosom (misalnya, Rickettsia spp.).

Banyak mikobakteri, termasuk Mycobacterium tuberculosis dan Mycobacterium avium paratuberculosis, dapat memanipulasi makrofag inang untuk mencegah lisosom menyatu dengan fagosom dan menciptakan fagolisosom yang matang.

Pematangan fagosom yang tidak lengkap seperti itu mempertahankan lingkungan yang menguntungkan bagi patogen di dalamnya.

Pelatihan

Fagosom cukup besar untuk mendegradasi seluruh bakteri, atau sel apoptosis dan senescent, yang umumnya berdiameter > 0,5μm.

Ini berarti bahwa fagosom adalah beberapa kali lipat lebih besar dari endosom, yang diukur dalam nanometer.

Fagosom terbentuk ketika patogen atau opsonin berikatan dengan reseptor transmembran, yang didistribusikan secara acak pada permukaan sel fagosit.

Setelah perlekatan, pensinyalan “luar-dalam” memicu polimerisasi aktin dan pembentukan pseudopoda, yang mengelilingi dan menyatu di belakang organisme.

Protein kinase C, phosphoinositide 3-kinase, dan phospholipase C (PLC) semuanya diperlukan untuk memberi sinyal dan mengontrol internalisasi partikel.

Lebih banyak reseptor permukaan sel dapat mengikat partikel dalam mekanisme seperti ritsleting saat patogen dikelilingi, meningkatkan aviditas perlekatan.

Reseptor Fc (FcR), reseptor komplemen (RC), reseptor mannose, dan Dectin-1 adalah reseptor fagosit, artinya dapat menginduksi fagositosis jika diekspresikan dalam sel non-fagosit seperti fibroblas.

Protein lain, seperti reseptor seperti Toll, terlibat dalam pengenalan pola patogen dan sering direkrut ke fagosom, tetapi tidak secara khusus memicu fagositosis pada sel non-fagosit, sehingga mereka tidak dianggap sebagai reseptor fagosit.

Opsonisasi

Opsonin adalah tag molekuler, seperti antibodi dan komplemen, yang mengikat patogen dan meningkatkan fagositosis. Imunoglobulin G (IgG) adalah jenis antibodi utama yang ada dalam serum.

Ini adalah bagian dari sistem kekebalan adaptif, tetapi terkait dengan respons bawaan dengan merekrut makrofag untuk menelan patogen. Antibodi mengikat mikroba dengan domain variabel Fab, dan domain Fc mengikat reseptor Fc (FcRs) untuk menginduksi fagositosis.

Internalisasi yang dimediasi komplemen memiliki overhang membran yang jauh lebih signifikan, tetapi pensinyalan hilir dari kedua jalur bertemu untuk mengaktifkan Rho GTPase.

Mereka mengontrol polimerisasi aktin yang diperlukan fagosom untuk menyatu dengan endosom dan lisosom.

Sel non-fagosit

Fagosit non-profesional lainnya memiliki beberapa tingkat aktivitas fagositosis, seperti sel epitel tiroid dan kandung kemih yang dapat mencakup eritrosit dan sel epitel retina yang menginternalisasi batang retina.

Namun, fagosit non-profesional tidak mengekspresikan reseptor fagosit spesifik, seperti reseptor Fc, dan memiliki tingkat internalisasi yang jauh lebih rendah.

Beberapa bakteri invasif juga dapat menginduksi fagositosis pada sel non-fagosit untuk memediasi pengambilan dari inang. Misalnya, Shigella dapat mengeluarkan racun yang mengganggu sitoskeleton inang dan memasuki sisi basolateral enterosit.

Struktur

Karena membran fagosom dibentuk oleh fusi membran plasma, komposisi dasar bilayer fosfolipid adalah sama.

Endosom dan lisosom kemudian menyatu dengan fagosom untuk berkontribusi pada membran, terutama ketika partikel yang diselimuti sangat besar, seperti parasit.

Mereka juga mengirimkan berbagai protein membran ke fagosom dan memodifikasi struktur organel.

Fagosom dapat menelan manik-manik buatan lateks kepadatan rendah dan kemudian dimurnikan sepanjang gradien konsentrasi sukrosa, memungkinkan struktur dan komposisi untuk dipelajari.

Dengan memurnikan fagosom pada titik waktu yang berbeda, proses pematangan juga dapat dicirikan. Fagosom pertama dicirikan oleh Rab5, yang bertransisi ke Rab7 saat vesikel matang menjadi fagosom akhir.

Proses pematangan

Fagosom yang baru lahir tidak bersifat bakterisida. Saat matang, ia menjadi lebih asam dari pH 6,5 hingga pH 4, mendapatkan penanda protein yang khas dan enzim hidrolitik.

Enzim yang berbeda bekerja pada berbagai pH optimal, membentuk kisaran untuk masing-masing bekerja dalam tahap proses pematangan yang sempit. Aktivitas enzim dapat disesuaikan dengan mengubah tingkat pH, memungkinkan fleksibilitas yang lebih besar.

Fagosom bergerak di sepanjang mikrotubulus sitoskeleton, menyatu dengan endosom dan lisosom secara berurutan dalam cara “ciuman dan lari” yang dinamis.

Transportasi intraseluler ini tergantung pada ukuran fagosom.

Organel yang lebih besar (berdiameter sekitar 3 m) diangkut sangat persisten dari pinggiran sel ke daerah perinuklear.

Sedangkan organel yang lebih kecil (diameter sekitar 1 m) diangkut lebih dua arah antara pusat sel dan pinggiran sel.

Pompa proton vakuolar (v-ATPase) dikirim ke fagosom untuk mengasamkan kompartemen organel, menciptakan lingkungan yang lebih tidak bersahabat bagi patogen dan memfasilitasi degradasi protein.

Protein bakteri mengalami denaturasi pada pH rendah dan menjadi lebih mudah diakses oleh protease, yang tidak terpengaruh oleh lingkungan asam.

Enzim kemudian didaur ulang dari fagolisosom sebelum egestion sehingga tidak terbuang percuma. Komposisi membran fosfolipid juga berubah saat fagosom matang.

Penggabungan dapat berlangsung dari menit ke jam tergantung pada isi fagosom; FcR atau fusi yang dimediasi reseptor mannose membutuhkan waktu kurang dari 30 menit, tetapi fagosom yang mengandung manik-manik lateks dapat memakan waktu beberapa jam untuk menyatu dengan lisosom.

Disarankan bahwa komposisi membran fagosom mempengaruhi laju pematangan.

Mycobacterium tuberculosis memiliki dinding sel yang sangat hidrofobik, yang dihipotesiskan untuk mencegah daur ulang membran dan perekrutan faktor fusi, sehingga fagosom tidak menyatu dengan lisosom dan bakteri mencegah degradasi.

Molekul lumenal yang lebih kecil ditransfer melalui fusi lebih cepat daripada molekul yang lebih besar, menunjukkan bahwa saluran air kecil terbentuk antara fagosom dan vesikel lain selama ‘ciuman dan penerbangan’, di mana hanya pertukaran yang diizinkan terbatas.

Regulasi fusi

Tak lama setelah internalisasi, F-aktin terdepolimerisasi dari fagosom yang baru terbentuk, sehingga membuat endosom dapat diakses untuk fusi dan pengiriman protein.

Proses pematangan dibagi menjadi tahap awal dan akhir tergantung pada penanda protein karakteristik, diatur oleh GTPase Rab kecil.

Rab5 hadir dalam fagosom awal, dan mengontrol transisi ke fagosom berlabel Rab7 akhir.

Rab5 merekrut PI-3 kinase dan protein jangkar lainnya seperti Vps34 ke membran fagosom, di mana endosom dapat mengirimkan protein ke fagosom.

Rab5 sebagian berpartisipasi dalam transisi ke Rab7, melalui kompleks CORVET dan kompleks HOPS dalam ragi.

Jalur pematangan yang tepat pada mamalia tidak dipahami dengan baik, tetapi disarankan bahwa HOPS dapat mengikat Rab7 dan menggantikan inhibitor disosiasi nukleotida guanosin (GDI). Rab11 terlibat dalam daur ulang membran.

fagolisosomal

Fagosom bergabung dengan lisosom untuk membentuk fagolisosom, yang memiliki berbagai sifat bakterisida.

Fagolisosom mengandung oksigen reaktif dan spesies nitrogen (ROS dan RNS) dan enzim hidrolitik.

Kompartemen juga bersifat asam karena pompa proton (v-ATPase) yang mengangkut H+ melintasi membran, yang digunakan untuk mendenaturasi protein bakteri.

Sifat fagolisosom yang tepat bervariasi tergantung pada jenis fagosit. Mereka yang berada di sel dendritik memiliki sifat bakterisida yang lebih lemah daripada makrofag dan neutrofil.

Selain itu, makrofag dibagi menjadi “pembunuh” proinflamasi M1 dan “perbaikan” M2.

Fagolisosom M1 dapat memetabolisme arginin menjadi oksida nitrat yang sangat reaktif, sementara M2 menggunakan arginin untuk menghasilkan ornitin untuk mendorong proliferasi sel dan perbaikan jaringan.

Fungsi fagosom

Degradasi patogen

Makrofag dan neutrofil adalah fagosit profesional yang bertanggung jawab atas sebagian besar degradasi patogen, tetapi mereka memiliki metode bakterisida yang berbeda.

Neutrofil memiliki butiran yang menyatu dengan fagosom. Butiran mengandung NADPH oksidase dan myeloperoxidase, yang menghasilkan oksigen beracun dan turunan klorin untuk membunuh patogen dalam ledakan oksidatif.

Protease dan peptida antimikroba juga dilepaskan di fagolisosom. Makrofag kekurangan granula dan lebih mengandalkan pengasaman dari fagolisosom, glikosidase, dan protease untuk mencerna mikroba.

Fagosom dalam sel dendritik kurang asam dan memiliki aktivitas hidrolitik yang jauh lebih lemah, karena konsentrasi protease lisosom yang lebih rendah dan bahkan adanya inhibitor protease.

Peradangan

Pembentukan fagosom terkait dengan peradangan melalui molekul pensinyalan umum. PI-3 kinase dan fosfolipase C terlibat dalam mekanisme internalisasi dan aktivasi inflamasi.

Kedua protein, bersama dengan Rho GTPase, merupakan komponen penting dari respon imun bawaan, menginduksi produksi sitokin dan mengaktifkan kaskade pensinyalan MAP kinase.

Sitokin pro-inflamasi diproduksi, termasuk IL-1β, IL-6, TNF, dan IL-12.

Prosesnya diatur secara ketat dan respons inflamasi bervariasi sesuai dengan jenis partikel di dalam fagosom.

Sel-sel apoptosis yang terinfeksi patogen akan memicu peradangan, tetapi sel-sel rusak yang terdegradasi sebagai bagian dari pergantian jaringan normal tidak. Responnya juga berbeda menurut fagositosis yang dimediasi opsonin.

Reaksi yang dimediasi reseptor FcR dan mannose menghasilkan spesies oksigen reaktif pro-inflamasi dan molekul asam arakidonat, tetapi reaksi yang dimediasi reseptor komplemen tidak menghasilkan produk ini.

Presentasi antigen

Sel dendritik imatur (ICD) dapat memfagositosis, tetapi sel dendritik matur tidak dapat karena perubahan Rho GTPase yang terlibat dalam recaraling sitoskeleton.

Fagosom sel dendritik kurang hidrolitik dan asam dibandingkan dengan makrofag dan neutrofil, karena sel dendritik terutama terlibat dalam presentasi antigen daripada degradasi patogen.

Mereka perlu mempertahankan fragmen protein dengan ukuran yang sesuai untuk pengenalan bakteri tertentu, sehingga peptida hanya terdegradasi sebagian.

Peptida bakteri diperdagangkan ke kompleks histokompatibilitas utama (MHC).

Antigen peptida disajikan ke limfosit, di mana mereka mengikat reseptor sel T dan mengaktifkan sel T, menjembatani kesenjangan antara imunitas bawaan dan adaptif.

Ini khusus untuk mamalia, burung, dan ikan berahang, karena serangga tidak memiliki kekebalan adaptif.

Nutrisi

Organisme bersel tunggal kuno seperti amuba menggunakan fagositosis sebagai cara untuk memperoleh nutrisi, daripada strategi kekebalan.

Mereka menelan mikroba lain yang lebih kecil dan mencernanya di dalam fagosom sekitar satu bakteri per menit, yang jauh lebih cepat daripada fagosit profesional.

Untuk amuba tanah Dictyostelium discoideum, sumber makanan utamanya adalah bakteri Legionella pneumophila, yang menyebabkan penyakit Legionnaires pada manusia.

Pematangan fagosom pada amuba sangat mirip dengan makrofag, itulah sebabnya mereka digunakan sebagai organisme caral untuk mempelajari prosesnya.

Likuidasi jaringan

Fagosom mendegradasi sel-sel tua dan apoptosis untuk mempertahankan homeostasis jaringan. Eritrosit memiliki salah satu tingkat turnover tertinggi dalam tubuh, dan difagositosis oleh makrofag di hati dan limpa.

Pada embrio, proses pengangkatan sel-sel mati tidak ditandai dengan baik, tetapi tidak dilakukan oleh makrofag atau sel lain yang berasal dari sel punca hematopoietik.

Hanya pada orang dewasa sel-sel apoptosis difagositosis oleh fagosit profesional.

Peradangan hanya dipicu oleh patogen tertentu atau pola molekul terkait kerusakan (DAMP) atau pola molekul terkait patogen (PAMP), penghapusan sel-sel tua tidak inflamasi.

Autofagosom

Autofagosom berbeda dari fagosom karena mereka terutama digunakan untuk secara selektif mendegradasi organel sitosol yang rusak, seperti mitokondria (mitofag).

Namun, ketika sel kelaparan atau stres, autofagosom juga dapat secara non-selektif mendegradasi organel untuk menyediakan asam amino dan nutrisi lain bagi sel.

Autophagy tidak terbatas pada fagosit profesional, tetapi pertama kali ditemukan pada hepatosit tikus oleh ahli biologi sel Christian de Duve.

Autofagosom memiliki membran ganda, membran dalam dari organel yang ditelan, dan diperkirakan bahwa membran luar akan terbentuk dari retikulum endoplasma atau kompartemen perantara ER-Golgi (ERGIC).

Autophagosome juga bergabung dengan lisosom untuk menurunkan isinya. Ketika M. tuberculosis menghambat pengasaman fagosom, interferon gamma dapat menginduksi autofagi dan menyelamatkan proses pematangan.

Penghindaran dan manipulasi bakteri

Banyak bakteri telah berevolusi untuk menghindari sifat bakterisida fagosom atau bahkan memanfaatkan fagositosis sebagai strategi invasi.

Mycobacterium tuberculosis menargetkan makrofag M2 di bagian bawah saluran pernapasan, yang tidak menghasilkan spesies oksigen reaktif.

  1. tuberculosis juga dapat memanipulasi jalur pensinyalan dengan mensekresi fosfatase seperti PtpA dan SapM, yang mengganggu perekrutan protein dan memblokir pengasaman fagosom.

Legionella pneumophila dapat membentuk kembali membran fagosom untuk meniru vesikel di bagian lain dari jalur sekretori, sehingga lisosom tidak mengenali fagosom dan tidak menyatu dengannya.

Bakteri mengeluarkan racun yang mengganggu perdagangan inang, sehingga vakuola yang mengandung Legionella merekrut protein membran yang umumnya ditemukan di retikulum endoplasma atau kompartemen perantara ER-Golgi.

Ini mengarahkan vesikel sekretori ke fagosom yang dimodifikasi dan memberikan nutrisi ke bakteri.

Listeria monocytogenes mengeluarkan protein pembentuk pori listeriolisin O sehingga bakteri dapat keluar dari fagosom ke dalam sitosol. Listeriolisin diaktifkan oleh lingkungan asam fagosom.

Selain itu, Listeria mengeluarkan dua enzim fosfolipase C yang memfasilitasi keluarnya fagosom.

Komentar akhir dan perspektif untuk penelitian masa depan

Perubahan besar dan dinamis yang dialami fagosom selama pematangannya memungkinkan sel-sel kekebalan untuk mempertahankan homeostasis dan merespons dengan cepat ancaman mikroba.

Oleh karena itu, pematangan fagosom memiliki dampak langsung pada hasil respon imun dan diatur tidak hanya pada tingkat sel, tetapi juga pada tingkat organel.

Dalam beberapa tahun terakhir, semakin banyak bukti telah menunjukkan berbagai hubungan antara mesin pematangan fagosom dan jalur pensinyalan yang berbeda.

Selanjutnya, polarisasi populasi sel fagosit memungkinkan sistem imun bawaan untuk memulai dan membentuk respon imun.

Misalnya, fenotipe seperti M1 dan seperti M2 selama polarisasi MΦ dapat menginduksi karakteristik pematangan fagosom yang berbeda, bahkan ketika ditemukan di jaringan yang sama.

Menariknya, fitur-fitur ini tidak terbatas pada MΦs, seperti yang ditunjukkan dengan baik oleh konsep polarisasi neutrofil yang muncul.

Kinetika pematangan fagosom rentan terhadap berbagai rangsangan mulai dari sitokin terkait patogen dan pola molekuler hingga pola molekuler dan opsonin terkait kerusakan.

Faktor lain, seperti durasi stimulasi dan jenis fagosit yang terlibat, juga mempengaruhi nasib fagosom.

Oleh karena itu, pematangan fagosom dapat dirangsang untuk meningkatkan kematian patogen atau untuk mencegah presentasi self-peptida dan autoimunitas.

Sebaliknya, pematangan fagosom dapat ditunda untuk melestarikan peptida patogen untuk presentasi ke sel T untuk secara efisien menginduksi kekebalan adaptif.

Lebih banyak pekerjaan diperlukan untuk mengidentifikasi jalur pensinyalan ke dan dari fagosom dan untuk lebih memahami bagaimana fagosit yang berbeda mengatur aspek-aspek ini pada tingkat molekuler.

Saat ini tidak diketahui apakah sinyal imun memodulasi pematangan fagosom dengan mengaktifkan jalur transduksi sinyal tunggal atau apakah beberapa jalur terlibat.

Selanjutnya, efek dari jenis rangsangan lingkungan lainnya (misalnya alergen) belum dipelajari.

Berdasarkan kemajuan saat ini, muncul gagasan bahwa fagosom berfungsi sebagai platform pensinyalan yang mengintegrasikan beberapa sinyal intraphagosomal, intraseluler dan ekstraseluler, yang dapat memodulasi pematangan fagosom.

Studi proteomik mengungkapkan bahwa banyak protein yang diketahui terlibat dalam pensinyalan, seperti reseptor dan kinase, hadir dalam fagosom.

Keadaan fosforilasi protein ini hanya satu aspek yang mempengaruhi pematangan fagosom.

Akhirnya, berbagai interaksi antara fagosom, inflammasome, dan organel sekitarnya, seperti autofagosom dan mitokondria, menunjukkan bahwa fagosom bukanlah organel soliter dan dapat berkomunikasi dengan organel lain.

Penelitian di masa depan dapat fokus pada interaksi ini dan dampak sinyal imun, terutama ketika pematangan fagosom terganggu oleh patogen untuk menghindari imunitas inang.

Ini dapat membantu mengembangkan terapi baru yang meningkatkan pembersihan patogen dan kekebalan adaptif.