Golgi-Apparat
Golgi-Morphologie und -Dynamik
Der Golgi-Apparat erscheint in vielen tierischen Zellen als eine bandartige Struktur neben dem Zellkern und in der Nähe des Zentrosoms, dem wichtigsten Mikrotubuli organisierenden Zentrum der Zelle (Abb. 21.18A). Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Dünnschnitten zeigen, dass der Golgi-Apparat aus gestapelten, abgeflachten, membranumschlossenen Zisternen besteht, die einem Stapel von Pfannkuchen ähneln (Abb. 21.18B). Die Vernetzung der Zisternen durch Golgi-assoziierte Tethering-Faktoren führt zu ihrer engen, parallelen Ausrichtung innerhalb des Stapels. Röhrchen und Vesikel an den Rändern der Stapel verbinden viele Stapel durch einen Prozess, der von Mikrotubuli abhängig ist, zu einer einzigen bandartigen Struktur. Wenn Mikrotubuli experimentell depolymerisiert werden, reorganisiert sich die bandartige Golgi-Struktur zu einzelnen Stapeln, die an ER-Ausgangsstellen zu finden sind (Abb. 21.19). Diese Verteilung ähnelt der Verteilung von Golgi-Stapeln in Pflanzenzellen, wo sich Hunderte von einzelnen Stapeln neben den ER-Ausgangsstellen befinden, anstatt als einzelnes Band zusammengefügt zu sein.
Stapel von Golgi-Zisternen in tierischen und pflanzlichen Zellen weisen alle eine cis-zu-trans-Polarität auf, die die Passage von Ladung durch das Organell widerspiegelt. Proteine und Lipide aus dem ER treten auf der cis-Seite (Eingangsseite) des Stapels ein. Nachdem sie den Zisternenstapel passiert haben, verlässt die Ladung die trans-Seite auf der gegenüberliegenden Seite des Stapels. Es wird angenommen, dass die Membransortier- und Transportaktivitäten der Golgi an den cis- und trans-Flächen und innerhalb der röhrenförmigen-vesikulären Elemente (nicht-kompakte Zone), die die Stapel miteinander verbinden, besonders hoch sind (Abb. 21.18B).
Drei vorgeschlagene Mechanismen erklären den Transport von sekretorischen Frachtproteinen durch den Golgi-Apparat (Abb. 21.20). In einem Modell sind die Zisternen, aus denen der Golgi-Stapel besteht, relativ stabile Strukturen, und die sekretorische Ladung wandert von Zisterne zu Zisterne durch den Stapel in Röhrchen oder Vesikeln, die aus einer Zisterne austreten und mit der nächsten verschmelzen. Der gerichtete Fluss wird dadurch erreicht, dass die Frachtproteine, die eine bevorzugte Affinität zu den Membranen haben, die die tubulären/vesikulären Transportintermediate enthalten, aus dem Golgi in Richtung Plasmamembran austreten. Bei einem zweiten Mechanismus, der so genannten zisternalen Progression, wird die sekretorische Ladung in kontinuierlich fortschreitenden Zisternen über den Stapel transportiert. Neue Zisternen bilden sich an der cis-Seite des Stapels durch Koaleszenz von VTCs und wandern dann durch den Stapel zur trans-Seite. Die sekretorischen Frachtmoleküle sind in einer bestimmten Zisterne eingeschlossen, bis sie von der cis-Seite zur trans-Seite wandern und den Golgi-Apparat in Transportträgern verlassen. Studien in Hefe, die zeigen, dass Marker in einzelnen Golgi-Cisterna im Laufe der Zeit von frühen zu späten Formen reifen, sprechen für eine zisternale Progression. Kinetische Messungen an lebenden Zellen in Säugetierzellen zeigen, dass die Ladung den Golgi-Apparat in einem exponentiellen Zeitverlauf ohne Verzögerung verlässt. Diese Erkenntnis und die Beobachtung, dass sich residente Enzyme und Ladung auf verschiedene Bereiche innerhalb des Golgi-Apparats aufteilen und darüber hinaus überlappende Verteilungen aufweisen, haben zu einem dritten Modell des Golgi-Transports geführt. In diesem Modell stellt die Verteilung von Frachtproteinen in Lipiddomänen, in denen keine Golgi-Enzyme vorhanden sind, einen Mechanismus für ihren Export aus dem Golgi dar (Abb. 21.20).
Die Größe, das Aussehen und sogar die Existenz des Golgi-Apparats hängen von der Menge und der Geschwindigkeit der Frachtbewegung durch den Sekretionsweg ab. Die Hefe Saccharomyces cerevisiae zum Beispiel hat einen schlecht entwickelten Golgi-Apparat, weil der sekretorische Transport normalerweise zu schnell ist, um ausgefeilte Golgi-Strukturen zu bilden. Bedingungen, die den Ladungstransport aus dem Golgi-Apparat in Hefezellen verlangsamen, führen jedoch dazu, dass sich der Golgi-Apparat vergrößert und zu kompakten Stapeln umorganisiert, wie sie in den meisten Tier- und Pflanzenzellen zu finden sind.
Der Golgi-Apparat ist eher eine dynamische als eine permanente zelluläre Struktur, da sich sowohl seine Proteine als auch seine Lipide kontinuierlich entlang verschiedener Pfade bewegen. Keine Klasse von Golgi-Proteinen ist innerhalb dieser Organelle stabil assoziiert. Integrale Membranproteine, einschließlich verarbeitender Enzyme und SNAREs, verlassen und betreten den Golgi-Apparat ständig über Membranwanderwege, die zum und vom ER führen. Periphere Membranproteine, die mit dem Golgi-Apparat assoziiert sind (einschließlich Arf1, Coatomer, Rab-Proteine, Matrixproteine, Tethering-Faktoren und GEFs), tauschen ständig zwischen Golgi-Membranen und zytoplasmatischen Pools aus.
Die vorübergehende und dynamische Assoziation von Molekülen mit dem Golgi-Apparat macht dieses Organell empfindlich für die Funktionen vieler zellulärer Systeme. Zum Beispiel verlagert sich der Golgi-Apparat in Säugetierzellen in Abwesenheit von Mikrotubuli in die Nähe von ER-Exportstellen (Abb. 21.19). Dies ist darauf zurückzuführen, dass Golgi-Enzyme, die kontinuierlich zum ER zurückgeführt werden, ohne Mikrotubuli nicht an einen zentrosomalen Ort zurückkehren können. Stattdessen sammeln sie sich zusammen mit Golgi-Gerüst-, Halte- und strukturellen Hüllproteinen an ER-Ausgangsstellen, die über das ER verteilt sind, und bilden Golgi-Ministapel.
BFA zerstreut den Golgi-Apparat durch einen anderen Mechanismus. Das Medikament hindert Arf1 daran, GDP gegen GTP auszutauschen (Abb. 21.5), und verhindert dadurch, dass die Membran Arf1-Effektoren aus dem Zytoplasma rekrutiert. Innerhalb weniger Minuten werden die Transmembranproteine des Golgi in das ER zurückgeführt, wo sie zurückgehalten werden, und der Golgi-Apparat verschwindet. Wird BFA entfernt, bildet sich der Golgi-Apparat durch Auswachsen der Membran aus dem ER neu.
Der Golgi-Apparat zerlegt sich während der Mitose in vielen eukaryontischen Zellen und setzt sich dann in der Interphase wieder zusammen (Abb. 21.21). Dieser Prozess ähnelt oberflächlich den Effekten von BFA-Applikation und Auswaschung, da viele Golgi-Enzyme während der Mitose in das ER oder zu ER-Ausgangsstellen zurückkehren und am Ende der Mitose wieder aus dem ER auftauchen. Dies wird sowohl durch die Inaktivierung von Arf1 als auch durch die Phosphorylierung von Tethering-Faktoren/Matrixproteinen des Golgi-Apparats durch mitotische Kinasen (siehe Kapitel 40) während der Mitose ausgelöst.
Obwohl der Golgi-Apparat sehr dynamisch ist und seine Protein- und Lipidkomponenten ständig mit anderen zellulären Kompartimenten austauscht, behält er eine einzigartige biochemische und morphologische Identität bei. Dies ermöglicht es dem Golgi-Apparat, an mehreren wichtigen Biosynthese- und Verarbeitungswegen in der Zelle teilzunehmen, wie im Folgenden erläutert wird.