Prepletené a jemne vyvážené: Morfológia, dynamika, funkcia a choroby endoplazmatického retikula, 1. časť

Abstrakt:

Endoplazmatické retikulum (ER) je organela, ktorá je zodpovedná za mnohé nevyhnutné subcelulárne procesy. Prepojené úzke tubuly na periférii a hrubšie listovité oblasti v perinukleárnej oblasti sú spojené s jadrovým obalom.

Endoplazmatické retikulum je dôležitá organela v bunkách. Podieľa sa hlavne na bunkovej syntéze, spracovaní, sekrécii a iných procesoch. Hoci sa zdá, že endoplazmatické retikulum a pamäť spolu priamo nesúvisia, v niektorých aspektoch skutočne úzko súvisia.

Po prvé, endoplazmatické retikulum sa podieľa na syntéze a funkcii mozgových buniek. Preto endoplazmatické retikulum hrá nenahraditeľnú úlohu pri normálnom vývoji a funkcii mozgových buniek. Vývoj a funkcia mozgových buniek úzko súvisí s ľudskou pamäťou, čo znamená, že existuje aj spojenie medzi endoplazmatickým retikulom a pamäťou.

Po druhé, v mozgu je endoplazmatické retikulum spojené so synaptickou plasticitou. Tvorba a udržiavanie pamäte úzko súvisí so synaptickou plasticitou. Endoplazmatické retikulum sa tiež podieľa na tvorbe a uvoľňovaní mnohých neurotransmiterov počas syntézy, spracovania a sekrécie proteínov v bunkách. Tieto neurotransmitery súvisia so synaptickou plasticitou. Preto môže endoplazmatické retikulum ovplyvniť aj pamäť.

Okrem toho sa endoplazmatické retikulum podieľa aj na metabolickom procese mozgových buniek a udržiava normálnu metabolickú hladinu buniek. Abnormality v endoplazmatickom retikule môžu ovplyvniť fyziologické funkcie mozgových buniek, čo môže ovplyvniť aj pokročilé kognitívne funkcie, ako je pamäť. Preto udržiavanie normálnej funkcie endoplazmatického retikula hrá dôležitú úlohu pri udržiavaní a zlepšovaní zdravia mozgu a kognitívnych funkcií.

Aby sme to zhrnuli, skutočne existuje spojenie medzi endoplazmatickým retikulom a pamäťou a toto spojenie nie je negatívne. Preto by sme v každodennom živote pre udržanie zdravia mozgu a zlepšenie pamäti mali dbať na normálnu funkciu a metabolickú úroveň endoplazmatického retikula, aby sme si mohli lepšie udržať vlastné zdravie a kognitívne funkcie. Je vidieť, že potrebujeme zlepšiť pamäť a Cistanche deserticola môže výrazne zlepšiť pamäť, pretože Cistanche deserticola je tradičný čínsky liečivý materiál, ktorý má mnoho jedinečných účinkov, jedným z nich je zlepšenie pamäte. Účinnosť Cistanche deserticola pochádza z viacerých aktívnych zložiek, ktoré obsahuje, vrátane kyseliny trieslovej, polysacharidov, flavonoidových glykozidov atď. Tieto zložky môžu podporovať zdravie mozgu rôznymi spôsobmi.

Kliknite na spoznajte 10 spôsobov, ako zlepšiť pamäť

Ukazuje sa, že komplexná morfológia a dynamika ER sú spojené s jej funkciou. Mutácie v proteínoch zapojených do regulácie štruktúry a pohybu ER sa podieľajú na mnohých chorobách vrátane neurodegeneratívnych chorôb, ako je Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba a amyotrofická laterálna skleróza (ALS).

ER je tiež unesený patogénmi, aby sa podporila ich replikácia. Baktérie ako Legionella pneumophila a Chlamydia trachomatis, ako aj vírus Zika, sa viažu na ER morfológiu a dynamiku regulujúce proteíny, aby využili funkcie ER vo svoj prospech.

Tento prehľad pokrýva naše chápanie morfológie ER vrátane funkčných subdomén a membránových kontaktných miest, ktoré organely tvoria. Zameriavame sa tiež na dynamiku ER a súčasné úsilie o kvantifikáciu pohybu ER a diskutujeme o chorobách súvisiacich s morfológiou a dynamikou ER.
Kľúčové slová:

endoplazmatické retikulum (ER); morfológia; dynamika; anomálna difúzia; membránové kontaktné miesto (MCS); dyneín; kinezín; mikrotubulu.

1. Úvod

Endoplazmatické retikulum (ER) je subcelulárna organela zodpovedná za rôzne základné bunkové funkcie. V ER sa proteíny syntetizujú a podliehajú posttranslačnej modifikácii, ióny vápnika sa ukladajú a uvoľňujú podľa potreby bunkovej signalizácie a biosyntéza lipidov.

ER je najväčšia organela v bunke a rozprestiera sa ako súvislá entita viazaná na membránu od jadrového obalu po bunkovú perifériu v komplexnej sieti tubulov a listovitých oblastí. Rýchla dynamika a reorganizácia spolu so skutočnosťou, že ER tvorí ~ 35 % objemu cytoplazmy, znamená, že ER skúma objem cytoplazmy rýchlejšie ako ktorákoľvek iná organela [1].

O funkcii dynamiky ER alebo účinkoch dynamiky pri ochoreniach súvisiacich s ER sa zatiaľ málo rozumie. Zložitá štruktúra ER je udržiavaná rôznymi proteínmi vrátane retikulonov, REEP a atlastínov [2–4]. Tieto proteíny regulujúce morfológiu podporujú zakrivenie membrán [2,3], riadia fúziu tubulov [4–8], stabilizujú spojenia [9–11], regulujú rozstup medzi listami [12–14] a pripútavajú ER k mikrotubulom [15–17].

Spolupráca medzi týmito proteínmi je nevyhnutná pre normálnu morfológiu, pričom nadmerná expresia určitých typov vedie k abnormálnym pomerom listov a tubulov v sieti [6,9,18]. Mikrotubulemotorické proteíny kinezín-1 a cytoplazmatický dyneín (tu označovaný ako dyneín) sa tiež viažu na endoplazmatické retikulum, aby riadili tvorbu nových tubulov a kontinuálne a dynamicky remodelovali sieť (napr. [19,20]).

Interakcie medzi ER a inými organelami na membránových kontaktných miestach (MCS) tiež prispievajú k dynamike organel (časť 3.1.2). Dynamika ER je novou témou výskumu.

Historicky sa rýchlosti predlžovania tubulov merali [20–23], ale kvantifikácia iných aspektov dynamiky ER bola náročná z dôvodu obmedzení v mikroskopii a výpočtoch. Nedávno bol publikovaný softvér navrhnutý na analýzu pohybu ER v živých bunkách [24–27] a ďalší vývoj v tejto oblasti je pravdepodobný čoskoro.

Hoci vzťah medzi dynamikou ER a funkciou ešte nie je pochopený, abnormálna dynamika ER bola nedávno spojená s niekoľkými ochoreniami [8,28,29], čo naznačuje, že dynamika je pravdepodobne veľmi dôležitá. Naproti tomu mutácie súvisiace s ochorením, ktoré regulujú morfológiu proteínov, sú lepšie pochopené a boli preukázané prepojenia medzi morfológiou a funkciou [30,31].

Tento prehľad podrobne popíše súčasné chápanie morfológie, dynamiky a funkcie ER a vzájomného pôsobenia medzi nimi, ako aj chorôb spojených s abnormalitami v morfológii a dynamike, pričom sa zameria predovšetkým na ER v bunkách stavovcov. Časť 2 popisuje morfológiu ER, proteíny zapojené do udržiavania normálnej štruktúry ER a väzby medzi morfológiou a funkciou, ktoré boli objasnené.

Časť 3 popisuje dynamiku ER, faktory spôsobujúce pohyb organel, súčasné snahy o kvantifikáciu dynamiky a najnovší vývoj vo výpočtovej analýze a modelovaní.

Nakoniec časť 4 podrobne popíše známe súvislosti medzi štruktúrou/pohybom ER a chorobami, ako aj proteínmi zapojenými do týchto chorôb. Diskusia o organizácii subdomény ER špecificky v neurónových bunkách je uvedená v inom článku tohto špeciálneho čísla [32].

2. Morfológia

Lipidová dvojvrstva viaže lúmen ER. Táto dvojvrstva sa formuje do vrstiev a tubulov s priemerom približne 80–100 nm [25,33,34] s rozsahom ~50–100 nm [33], ktoré sú spojené v spojoch, aby vytvorili retikulárnu sieť.

Tubuly majú priemernú dĺžku okolo 1 µm a spájajú sa v spojoch, ktoré zvyčajne spájajú 3 tubuly [27,35]. Listy sú ploché, so separáciou dvoch vrstiev 30–50 nm [33] a často sa vyskytujú v naskladanej konfigurácii so špirálovitými rampami spájajúcimi vrstvy [36].

Hustota vrstvy je zvyčajne vyššia bližšie k stredu bunky (napr. [33,37,38]), kde endoplazmatické retikulum zahŕňa aj jadrový obal; oblasti podobné listom sa však vyskytujú aj v periférnych ER.

Svetelná mikroskopia s vysokým rozlíšením odhalila, že niektoré periférne štruktúry, ktoré sa pôvodne považovali za vrstvy, pozostávajú z hustých matríc tubulov [33, 34, 38], zatiaľ čo iné obsahujú vrstvy s dierkami s malými otvormi (nanodierky: [33]).

Výskum proteínov podieľajúcich sa na formovaní membrány ER je rozsiahly a nedávno bol preskúmaný [30,31,39]. Komplexná morfológia ER bola nedávno spojená s jeho funkciou (prehľad v [40]) a môže sa zmeniť v reakcii na zmenené metabolické požiadavky alebo štádiá bunkového cyklu, ako je opísané neskôr.

2.1. Proteíny regulujúce morfológiu

Na regulácii morfológie ER sa podieľa množstvo proteínov. Tieto proteíny stabilizujú oblasti s vysokým zakrivením membrány, podporujú fúziu membrán, udržiavajú trojcestné spojenia, regulujú hrúbku a plochosť listu a ukotvujú ER k mikrotubulom (obrázok 1).

ER, tubuly a okraje listu sú oblasti s vysokým zakrivením membrány. Rodiny proteínov REEP a reticulon podobné vlásenke podporujú zakrivenie povrchu ER, aby sa stabilizovali etubuly a okraje listu [2,3].

Retikulón 4 sa tiež hromadí na okrajoch nanodier, ktoré chýbajú v Rtn4 knockout bunkách [33]. Predpokladá sa, že tieto proteíny sedia so širším koncom „vlásenky“ na vonkajšom okraji membrány, aby podporili zakrivenie prostredníctvom hydrofóbneho zaklinenia, ako je znázornené na obrázku 1C. Fúzia membrán je tiež nevyhnutná na udržanie správnej morfológie ER. Atlastin, ER-rezidentná GTPáza, je potrebná na údržbu siete ER a membránovú fúziu [4–6].

Nové tubuly, ktoré sa vytiahnu z existujúcej membránovej štruktúry, sa musia spojiť so sieťou, aby sa zachovala normálna morfológia ER. Bian a kol. navrhli, že atlastin je rezidentný v membráne oboch spojovacích hrán a že medzi týmito dvoma proteínmi sa tvorí dimér [41] (pozri obrázok 1F). Táto dimerizácia by spôsobila konformačnú zmenu, pri ktorej by sa proteíny, a teda aj membrána ER, priblížili k sebe, čo by prípadne spôsobilo fúziu membrán.

Dve RabGTPázy, Rab10 [7] a Rab18 [8] sa tiež podieľajú na fúzii ER tubulov. Vyčerpanie niektorého z týchto proteínov spôsobilo zvýšenie listov a zníženie tubulov.

Rab10 sa tiež lokalizuje na rastúce hroty ER tubulov, ktoré sú obohatené o dva enzýmy syntézy lipidov: fosfoinozitolsyntázu (PIS) a CEPT1 [7]. Je zaujímavé, že proteín 1 súvisiaci s dynamínom (Drp1), proteín potrebný na mitochondriálne štiepenie, podporuje tvorbu ER tubulov nezávisle od Rtn4 [42].

Trojcestné spojenia ER siete v cicavčích bunkách sú stabilizované cicavčím Lnp1, členom rodiny Lunapark [9–11]. mLnp1 sa lokalizuje v trojcestných spojeniach v Cos{5}} bunkách a spojenia, ktorým chýba mLnp1, boli oveľa dynamickejšie a mali kratšiu životnosť ako ich náprotivky obohatené o mLnp{8}} [10].

Spojky bez Lunaparku často zmizli uzavretím prstencov, v ktorých spojenia kĺžu pozdĺž susedného tubulu, až kým sa nezlúčia s iným spojením, zatiaľ čo uzáver prstencov bol menej bežným spojením Lnp1 [10].

Preto Lunapark stabilizuje trojcestné spojenia v sieti. Spolupráca týchto proteínov je kľúčová pri regulácii morfológie ER. Na udržanie normálnej morfológie ER bola potrebná rovnováha medzi retikulónom 4a a expresiou atlasínu [6]. Dlhé, nerozvetvené tubuly boli pozorované v bunkách s malou funkciou atlastínu a v bunkách nadmerne exprimujúcich retikulón 4a.

Expresia atlastinu aj retikulonu 4a v knokautovaných bunkách Lunapark obnovila normálnu morfológiu siete na bunkovej periférii. V kvasinkách je na vytvorenie typickej polygonálnej siete potrebná rovnováha medzi Lunapark Lnp1p a homológom atlastínu Sey1p [9]. Lunapark a atlastin sa tiež koordinujú pri vytváraní a udržiavaní trojcestných spojení v cicavčích bunkách, pričom Lunapark nie je schopný lokalizovať spojenia, keď sú atlastíny vymazané [18].

Použitím odlišného, ​​ale komplementárneho prístupu, Shemesh a kol. modelovali sieť ER so zameraním na dve triedy proteínov regulujúcich morfológiu [43], pričom Lunapark bol navrhnutý ako proteín vyvolávajúci negatívne zakrivenie a retikulóny zosilňujúce rovné hrany. Zmena úrovne expresie buniek Lunapark inCos-7 viedla k rôznym morfológiám ER a rôzne sieťové vlastnosti, ako napríklad celková dĺžka a preferovaný tvar spojov, sa replikovali zmenou koncentrácií proteínov v simuláciách.

Relatívne koncentrácie proteínov regulujúcich ERmorfológiu sú veľmi dôležité pre normálnu štruktúru ER. CLIMP-63, integrálny membránový proteín, bol navrhnutý ako mechanizmus na riadenie lumenálnej separácie medzi dvoma membránami ER listov [12– 14]. Ako je znázornené na obrázku 1A, jej veľká coiled-coil doména sa nachádza v lúmene ER a predpokladá sa, že sa viaže na coiled-coil domény iných CLIMP-63 proteínov, aby regulovala hrúbku fólie [12]. Nadmerná expresia CLIMP{10}} indukuje tvorbu vrstiev obsahujúcich nanodiery [33].

Druhým faktorom ovplyvňujúcim hrúbku vrstvy môžu byť skupiny ribozómov, tiež nazývané polyribozómy, naviazané na cytosolickú stranu ER [44] (pozri obrázok 1G). Odstránenie ribozómov z povrchu ER premenilo listy totubuly, čo podporuje hypotézu, že polyribozómy stabilizujú listy ER [45]. p180 a kinektín, dva proteíny, ktoré sú svojou konformáciou podobné CLIMP-63, môžu hrať úlohu pri nafukovaní povrchu listov [13], aj keď existuje len málo presvedčivých dôkazov na podporu tejto myšlienky. Oba proteíny sú potenciálnymi receptormi pre mikrotubulárny motorický kinezín-1 (pozri časť 3.1.1).

Mikrotubuly a aktínový cytoskelet zohrávajú hlavnú úlohu pri regulácii polohy a morfológie ER, a to prostredníctvom dynamických aj statických väzieb (obrázok 1D, E), ako je uvedené v časti 3. Spoločne sa proteíny podieľajúce sa na väzbe a motilite cytoskeletu, stabilizácii zakrivenia membrány, fúzii tubulov, údržba križovatky a regulácia hrúbky plechu sú nevyhnutné na udržanie normálnej štruktúry ER.

For more information:1950477648nn@gmail.com