Golgi-apparaat
Golgi-morfologie en -dynamica
Het Golgi-apparaat in veel dierlijke cellen verschijnt als een lintvormige structuur naast de kern en dicht bij het centrosoom, het belangrijkste microtubule-organiserende centrum van de cel (Fig. 21.18A). Elektronenmicrofoto’s van dunne doorsneden tonen dat het Golgi-apparaat bestaat uit gestapelde, afgeplatte, met membraan omsloten cisternae die lijken op een stapel pannenkoeken (Fig. 21.18B). De verknoping van de cisternae door Golgi-geassocieerde bindende factoren resulteert in hun strakke, parallelle uitlijning binnen de stapel. Buisjes en blaasjes aan de randen van de stapels verbinden vele stapels tot een enkele lintvormige structuur door een proces dat afhankelijk is van microtubuli. Als microtubuli experimenteel gedepolymeriseerd worden, reorganiseert de lint-achtige Golgi structuur zich in enkele stapels die gevonden worden bij ER exit sites (Fig. 21.19). Deze verdeling lijkt op de verdeling van Golgi-stapels in plantencellen, waar honderden enkele stapels zich naast ER-uitgangen bevinden in plaats van samengevoegd te worden als een enkel lint.
Stapels van Golgi-cisternae in dierlijke en plantencellen vertonen allemaal een cis-trans polariteit die de doorgang van lading door het organel weerspiegelt. Eiwitten en lipiden uit de ER komen aan de cis-zijde (ingangszijde) van de stapel. Na door de stapel cisternae te zijn gegaan, verlaat lading de transzijde aan de andere kant van de stapel. Membraan sortering en transport activiteiten van de Golgi worden verondersteld vooral hoog te zijn aan de cis en trans zijde en binnen de tubulaire-vesiculaire elementen (noncompact zone) die de stapels met elkaar verbinden (Fig. 21.18B).
Drie voorgestelde mechanismen verklaren transport van secretorische ladingseiwitten door het Golgi-apparaat (Fig. 21.20). In het ene model zijn de cisternae die de Golgi-stapel vormen relatief stabiele structuren en worden secretorische ladingen van cisterna naar cisterna door de stapel getransporteerd in buisjes of blaasjes die uit een cisternae komen en met de volgende versmelten. Richtinggebonden stroming wordt bereikt doordat de ladingseiwitten een preferentiële affiniteit hebben voor de membranen die de tubulaire/vesiculaire transporttussenproducten bevatten, die uit de Golgi naar het plasmamembraan ontluiken. Bij een tweede mechanisme, dat cisternal progression wordt genoemd, wordt secretorische lading over de stapel getransporteerd in cisternae die zich steeds verder ontwikkelen. Nieuwe cisternae vormen zich aan de cis-zijde van de stapel door coalescentie van VTC’s en bewegen zich dan over de stapel naar de trans-zijde. Afscheidende ladingmoleculen worden opgesloten in een bepaalde cisterna totdat ze van de cis-zijde naar de trans-zijde gaan en het Golgi-apparaat verlaten in transportdragers. Steun voor cisternal progressie komt voort uit studies in gist waaruit blijkt dat markers in individuele Golgi cisterna rijpen van vroege naar late vormen in de tijd. Kinetische metingen in zoogdiercellen tonen aan dat lading het Golgi-apparaat verlaat in een exponentieel tijdsverloop zonder vertraging. Deze bevinding, samen met de waarneming dat enzymen en lading zich verdelen over verschillende domeinen binnen het Golgi-apparaat, naast het hebben van overlappende distributies, hebben geleid tot een derde model van Golgi-transport. In dit model biedt de verdeling van ladingseiwitten in lipidedomeinen zonder Golgi-enzymen een mechanisme voor hun export uit het Golgi-apparaat (Fig. 21.20).
De grootte, het uiterlijk en zelfs het bestaan van het Golgi-apparaat zijn afhankelijk van de hoeveelheid en de snelheid van de ladingbeweging door de secretorische route. De gist Saccharomyces cerevisiae, bijvoorbeeld, heeft een slecht ontwikkeld Golgi-apparaat, omdat secretorisch transport normaal gesproken te snel is om uitgebreide Golgi-structuren te laten ontstaan. Echter, omstandigheden die het vrachttransport uit het Golgi-apparaat in gistcellen vertragen, leiden tot uitbreiding van het Golgi-apparaat en herschikking in compacte stapels, vergelijkbaar met die in de meeste dierlijke en plantaardige cellen.
Het Golgi-apparaat is eerder een dynamische dan een permanente cellulaire structuur, omdat zowel de eiwitten als de lipiden continu bewegen langs verschillende paden. Geen enkele klasse van Golgi-eiwitten is stabiel geassocieerd binnen dit organel. Integrale membraaneiwitten, waaronder verwerkingsenzymen en SNARE’s, verlaten het Golgi-apparaat voortdurend en komen het weer binnen via membraantransportroutes die van en naar de ER leiden. Perifere membraaneiwitten geassocieerd met het Golgi-apparaat (waaronder Arf1, coatomer, Rab-eiwitten, matrixeiwitten, tethering-factoren, en GEF’s) wisselen voortdurend uit tussen Golgi-membranen en cytoplasmatische pools.
De voorbijgaande en dynamische associatie van moleculen met het Golgi-apparaat maakt dit organel gevoelig voor de functies van vele cellulaire systemen. Bijvoorbeeld, bij afwezigheid van microtubuli verplaatst het Golgi-apparaat in zoogdiercellen zich naast de ER-exportplaatsen (Fig. 21.19). Dit gebeurt omdat Golgi-enzymen die voortdurend terug naar het ER recyclen, zonder microtubuli niet naar een centrosomale locatie kunnen terugkeren. In plaats daarvan accumuleren ze samen met Golgi steigers, tethering, en structurele manteleiwitten op ER-exportplaatsen verspreid over het ER, en vormen zo Golgi ministacks.
BFA verspreidt het Golgi-apparaat via een ander mechanisme. Het geneesmiddel voorkomt dat Arf1 GDP voor GTP uitwisselt (Fig. 21.5), waardoor het membraan geen Arf1-effectoren uit het cytoplasma kan rekruteren. Binnen enkele minuten worden de aanwezige transmembraan-eiwitten van de Golgi gerecycleerd naar het ER waar ze worden vastgehouden, en het Golgi-apparaat verdwijnt. Als BFA wordt verwijderd, hervormt het Golgi-apparaat zich door uitgroei van membraan uit het ER.
Het Golgi-apparaat ontmantelt zich tijdens mitose in veel eukaryote cellen en hervat zich dan in de interfase (Fig. 21.21). Dit proces lijkt oppervlakkig op de effecten van BFA toepassing en uitspoeling, omdat veel Golgi-enzymen terugkeren naar de ER of naar ER exit sites tijdens mitose en weer opduiken uit de ER aan het einde van de mitose. Dit wordt in gang gezet doordat Arf1 wordt geïnactiveerd en doordat tethering factoren/matrix eiwitten van het Golgi-apparaat tijdens mitose worden gefosforyleerd door mitotische kinasen (zie hoofdstuk 40).
Hoewel het Golgi-apparaat zeer dynamisch is en voortdurend zijn eiwit- en lipide-componenten uitwisselt met andere cellulaire compartimenten, behoudt het een unieke biochemische en morfologische identiteit. Hierdoor kan het Golgi-apparaat deelnemen aan verschillende belangrijke biosynthese- en verwerkingstrajecten in de cel, zoals hierna wordt besproken.