Меланосомы

Меланосомы — это специализированные органеллы (внутриклеточные структуры) в клетках позвоночных животных, в которых происходит синтез, накопление и транспорт пигментов меланинов. Меланосомы являются разновидностью лизосом-подобных органелл и обеспечивают окраску кожи, волос, перьев, глаз, а также защиту тканей от ультрафиолетового излучения. Основные типы меланосом — эумеланосомы (содержат чёрно-коричневый эумеланин) и феомеланосомы (содержат жёлто-красный феомеланин).

Строение и состав

Меланосомы имеют округлую или вытянутую форму, диаметр обычно составляет 0,3–1,0 мкм. Они окружены мембраной (липидным бислоем), внутри которой находится белковая матрица, на которой и происходит полимеризация меланинов. Ключевой компонент — фермент тирозиназа, катализирующий первые этапы синтеза меланина из аминокислоты тирозина. Также в составе меланосом присутствуют другие ферменты (например, TRP-1, TRP-2), транспортные белки (в частности, OCA2, SLC24A5) и структурные белки (PMEL, GPNMB).

Внутренняя структура меланосомы различается в зависимости от стадии зрелости и типа меланина. Эумеланосомы содержат фибриллярную матрицу, на которой откладывается плотный, нерастворимый эумеланин. Феомеланосомы имеют более рыхлую, глобулярную структуру, а синтезируемый феомеланин растворим в щелочах.

Биогенез и созревание

Меланосомы образуются в специализированных клетках — меланоцитах, которые располагаются в базальном слое эпидермиса, в волосяных фолликулах, в сосудистой оболочке глаза и в некоторых других тканях. Процесс формирования меланосом включает несколько стадий:

1. Стадия I (премеланосома): из аппарата Гольджи отпочковывается мембранный пузырёк, содержащий структурные белки (например, PMEL). Внутри пузырька формируется фибриллярная или аморфная матрица.
2. Стадия II: матрица продолжает организовываться, начинается отложение меланина на фибриллах. Тирозиназа и другие ферменты доставляются в органеллу.
3. Стадия III: меланин активно синтезируется и накапливается, частично заполняя внутренний объём меланосомы.
4. Стадия IV (зрелая меланосома): меланин полностью заполняет органеллу, фибриллярная структура становится неразличимой. Меланосома готова к транспорту.

Созревание меланосом регулируется множеством генов. Мутации в генах, кодирующих белки биогенеза (например, PMEL, TYR, OCA2), приводят к нарушениям пигментации — альбинизму, витилиго или другим формам гипопигментации.

Транспорт и распределение

Зрелые меланосомы транспортируются из центральной части меланоцита к его отросткам (дендритам) по микротрубочкам с помощью моторных белков — кинезина (движение к плюс-концу) и динеина (движение к минус-концу). Затем меланосомы передаются соседним кератиноцитам (клеткам кожи) через специализированные контакты — «меланосомные мостики» или путём фагоцитоза отростков меланоцита. В кератиноцитах меланосомы располагаются над ядром, образуя «ядерную шапочку», защищающую ДНК от ультрафиолетового повреждения.

Скорость транспорта и количество передаваемых меланосом регулируются гормонами (например, меланоцитстимулирующим гормоном, α-МСГ), а также внешними факторами, в первую очередь ультрафиолетовым излучением. Под действием УФ-лучей в меланоцитах усиливается синтез меланина и ускоряется транспорт меланосом — это проявляется как загар.

Типы меланосом

Эумеланосомы

Эумеланосомы синтезируют эумеланин — высокомолекулярный полимер чёрного или тёмно-коричневого цвета, нерастворимый в большинстве растворителей. Эумеланин обеспечивает прочную защиту от УФ-излучения, поглощая широкий спектр длин волн. Эумеланосомы характерны для тёмной кожи, чёрных и тёмно-коричневых волос.

Феомеланосомы

Феомеланосомы продуцируют феомеланин — жёлто-красный пигмент, растворимый в щелочах. Феомеланин содержит серу (в виде цистеинил-допы) и менее эффективно защищает от УФ-излучения, более того, при облучении может генерировать активные формы кислорода, способствующие повреждению клеток. Феомеланосомы преобладают у людей с рыжими волосами и светлой кожей, а также у некоторых животных (например, у рыжих лис).

Смешанные меланосомы

В некоторых клетках могут присутствовать оба типа меланосом. У человека с каштановыми или русыми волосами, а также в коже смешанного фототипа встречаются как эумеланосомы, так и феомеланосомы. Соотношение типов определяется генетически (в первую очередь геном MC1R) и может меняться под воздействием окружающей среды.

Функции

Основная функция меланосом — защита организма от ультрафиолетового излучения. Меланин в меланосомах поглощает и рассеивает УФ-лучи, предотвращая повреждение ДНК в клетках кожи. Кроме того, меланосомы играют роль в терморегуляции (тёмные пигменты поглощают тепло), в маскировке (окраска животных), в социальной сигнализации (например, окраска перьев у птиц) и в защите глаз от светового повреждения.

В коже меланосомы также участвуют в связывании и нейтрализации свободных радикалов, образующихся под действием УФ-излучения. В сетчатке глаза меланосомы в пигментном эпителии поглощают рассеянный свет, улучшая остроту зрения и предотвращая фотоокислительное повреждение.

Нарушения, связанные с меланосомами

1. Альбинизм — группа наследственных заболеваний, при которых нарушен синтез меланина из-за мутаций в генах тирозиназы (OCA1) или других белков (OCA2, OCA3, OCA4). Меланосомы либо не образуются, либо остаются на ранних стадиях, не заполняясь пигментом. Проявляется отсутствием пигментации кожи, волос и глаз, светобоязнью, снижением остроты зрения.
2. Витилиго — аутоиммунное заболевание, при котором меланоциты разрушаются, и меланосомы перестают синтезироваться в поражённых участках кожи. Возникают депигментированные пятна.
3. Меланома — злокачественная опухоль из меланоцитов. В клетках меланомы часто наблюдается аномальное количество и распределение меланосом, а также их атипичная морфология.
4. Синдром Германски — Пудлака — редкое наследственное заболевание, связанное с нарушением биогенеза лизосом-подобных органелл, включая меланосомы. Проявляется частичным альбинизмом, лёгочным фиброзом и нарушениями свёртываемости крови.
5. Синдром Чедиака — Хигаси — нарушение транспорта и созревания меланосом, приводящее к гипопигментации, иммунодефициту и неврологическим симптомам.

Меланосомы у животных

У животных меланосомы выполняют сходные функции, но их структура и распределение могут различаться. У птиц меланосомы в перьях формируют сложные наноструктуры, отвечающие за структурную окраску (например, синие и зелёные тона). У головоногих моллюсков (кальмаров, осьминогов) меланосомы в клетках-хроматофорах позволяют быстро менять окраску тела. У некоторых рыб и амфибий меланосомы способны перемещаться в цитоплазме под действием гормонов, обеспечивая физиологическое изменение цвета.

История изучения

Первые описания пигментных гранул в клетках кожи были сделаны в XIX веке. В 1837 году немецкий физиолог Йоханнес Мюллер описал «пигментные клетки» в коже человека. В 1875 году немецкий патолог Рудольф Вирхов выделил меланин как отдельное вещество. Термин «меланосома» ввёл в 1960-х годах американский цитолог Томас Фицпатрик, который совместно с коллегами описал стадии созревания этих органелл. В 1970–1980-х годах были идентифицированы ключевые ферменты синтеза меланина, а в 1990-х — гены, ответственные за биогенез меланосом. В XXI веке исследования сосредоточены на молекулярных механизмах транспорта меланосом, их роли в иммунитете и патогенезе меланомы.

Источники

• Fitzpatrick T. B., Breathnach A. S. Das epidermale Melanin-Einheit-System // Dermatologische Wochenschrift. — 1963.
• Hearing V. J. The melanosome: a model for studying the biogenesis of lysosome-related organelles // Pigment Cell Research. — 2000.
• Marks M. S., Seabra M. C. The melanosome: membrane dynamics in black and white // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2001.
• Raposo G., Marks M. S. Melanosomes — dark organelles enlighten endosomal membrane transport // Nature Reviews Molecular Cell Biology. — 2007.
• Yamaguchi Y., Hearing V. J. Melanocytes and their diseases // Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. — 2014.