Prepletené a jemne vyvážené: Morfológia, dynamika, funkcia a choroby endoplazmatického retikula, 4. časť

3. Dynamika ER

ER nie je zložitá len svojou organizáciou, ale aj pohybom. Pokrok v chápaní dynamiky ER bol pomalší ako morfológia ER, pretože potom šípové tubuly a neustály pohyb a preskupovanie siete spôsobujú, že ER je pre obraz náročný.

Endoplazmatické retikulum je jedným z dôležitých orgánov v bunkách a má mnoho dôležitých biologických funkcií, ako je syntéza proteínov, glykozylačná reakcia, syntéza a rozklad lipidov, transport a skladovanie iónov atď. Okrem toho výskumy ukazujú, že existuje aj úzky vzťah medzi endoplazmatickým retikulom a pamäťou.

Po prvé, endoplazmatické retikulum hrá veľmi dôležitú úlohu pri udržiavaní normálnych fyziologických funkcií neurónov. Veľký počet štúdií ukázal, že dysfunkcia endoplazmatického retikula môže viesť k interferencii vo vývoji a dozrievaní neurónov, a tým ovplyvniť schopnosti učenia a pamäte ľudí. Zároveň sa endoplazmatické retikulum podieľa aj na synaptickej plasticite neurónov. Prostredníctvom regulácie spätného transportu a uvoľňovania iónov vápnika sa podieľa na tvorbe a udržiavaní synaptickej plasticity ako je dlhodobá potenciácia a dlhodobá depresia.

Po druhé, výskum ukazuje, že endoplazmatické retikulum má funkciu regulácie neurotransmisie. Endoplazmatické retikulum priamo alebo nepriamo ovplyvňuje komunikáciu medzi neurónmi reguláciou syntézy a transportu neurotransmiterov. Preto dysfunkcia endoplazmatického retikula môže spôsobiť vážne nerovnováhy neurotransmiterov, čo vedie k nepriaznivým následkom, ako je strata pamäti a mentálna degenerácia.

Nakoniec, endoplazmatické retikulum môže tiež syntetizovať a uchovávať veľké množstvo lipidov, vrátane sfingomyelínu, ktorý neuróny vyžadujú. Sfingomyelín je mimoriadne dôležitý pre udržanie stability a funkcie neurónov. Preto schopnosť endoplazmatického retikula regulovať sfingomyelín priamo ovplyvňuje kvalitu práce mozgu a pamäť ľudí.

Stručne povedané, vzťah medzi endoplazmatickým retikulom a pamäťou je neoddeliteľný. Posilnením porozumenia a regulácie funkcie endoplazmatického retikula môžeme lepšie chrániť a zlepšovať pamäť ľudí, a tým zlepšiť kvalitu života a učenia. 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 položku Poznať krátkodobú pamäť, ako sa zlepšiť

Dynamiku ER v bunkách cicavcov možno rozdeliť do troch typov: oscilácia vytvorených sieťových prvkov; dynamika častíc v lúmene alebo membráne ER; a generovanie nových sieťových prvkov (pozri obrázok 3).

Účel dynamiky ER je stále nejasný, ale prevládajúca teória hovorí, že oscilácie urýchľujú procesy prebiehajúce v ER uľahčením pohybu lumenálnych a transmembránových častíc [25,180,181].

3.1. Cytoskeletálna kontrola dynamiky ER

ER neustále prestavuje svoju priestorovú organizáciu. Pôsobivá dynamika ER bola pozorovaná v živých kultivovaných bunkách CV1 [182], pľúcnych bunkách mloka [23] a rastových kužeľoch v kultivovaných neurónoch [183] ​​dlho pred objavením zeleného fluorescenčného proteínu (GFP) s použitím lipofilného farbiva. DiOC6.

Nové tubuly môžu byť vytiahnuté z existujúcej siete a fúzované so susednými tubulmi alebo spojmi, aby sa vytvorili nové spojenia a sieťové polygóny sa môžu vytvárať a miznúť ([182]; obrázok 4). Tento pohyb poháňaný mikrotubulami je popísaný v časti 3.1.1. Podiel siete v tubuloch a listoch sa tiež môže dynamicky meniť.

ER listy sa reorganizujú do tubulov, keď sú ribozómy odstránené z ich povrchu puromycínom [45]. Ako je opísané nižšie, inhibícia pohybu tubulov na báze mikrotubulov môže zase zvýšiť podiel oblastí podobných listom. Uvádza sa, že vstup do mitózy spúšťa expanziu listu [37,43,184], hoci iné štúdie preukázali zvýšenú mitotickú tubuláciu [45], ktorá je poháňaná REEP 3 a 4 [185].

Takáto dynamická reorganizácia môže pomôcť organele rýchlo odobrať vzorky z bunkového objemu [1] a reagovať na zmeny bunkových požiadaviek a nutričného stavu (časť 3.1.3).

Mikrotubulové motory spojené s ER nie sú jedinými prostriedkami, ktorými ER interaguje s cytoskeletom, a v nasledujúcich častiach popisujeme, ako sa howtubuly môžu rozšíriť aj o interakcie s rastúcimi mikrotubulami prostredníctvom komplexov na prichytenie hrotu (TAC) a spojením s pohyblivými MCS.

Načrtnuté sú aj statické interakcie ER tubulov s mikrotubulmi a úloha, ktorú zohráva aktínový cytoskelet.

3.1.1. Mikrotubulové motory poháňajú ER Dynamics

Skoré štúdie používajúce DiOC6 odhalili, že ER tubuly na bunkovej periférii sú často tesne zarovnané s mikrotubulmi [23,183,186], ako to potvrdili mnohé následné štúdie (napr. [21,38,187]).

V spojení s mikrotubulmi sa vyskytuje aj preskupenie prstencov a vetvenie tubulov [38]. Depolymerizácia mikrotubulov úplne inhibovala ER tubuly a dynamiku siete vo VERO bunkách [20], zvýšila množstvo ER v listovitých štruktúrach a znížila tubulárnu sieť [20,37,38,186,188].

Zobrazovanie v živých bunkách s vysokým rozlíšením ukázalo, že tieto pláty pozostávajú zo zmesi morfológií vrátane hrubých plátov, tenších plátov obsahujúcich nanodiery a hustých tubulárnych sietí [33], čo naznačuje, že mikrotubuly nielen kontrolujú polohu siete ER, ale tiež prispievajú k podrobná organizácia membránových domén ER.

Priama vizualizácia tubulov podobných ER, ktoré sa rozprestierajú pozdĺž mikrotubulov, pochádzala najskôr z testov in vitro s použitím extraktov z buniek CV1 [189] alebo interfázových vajíčok Xenopus [190], kde diferenciálna interferenčná kontrastná mikroskopia so zosilneným videom odhalila membránu bez tubulov pozdĺž mikrotubulov. Ukázalo sa, že siete Xenopus sú ER podľa značenia protilátkami a prítomnosti polyzómov na povrchu membrány [19].

Motilita spôsobila vzájomný kontakt tubulov, čo viedlo k fúzii tubulov [19,20,189], ktorá bola závislá na atlastíne [184]. Okrem toho hladké aj drsné ER z pečene potkana tvorili pohyblivé siete, keď sa skombinovali s interfázovým cytozolom vajíčka Xenopus, čo demonštruje medzidruhové zachovanie motility a membránovej fúzie [191]. Ak je však koncentrácia membrány in vitro dostatočne vysoká, v neprítomnosti mikrotubulov sa môže vytvoriť sieť ER tubulov [192].

Motoricky poháňané posúvanie ER tubulov pozdĺž mikrotubulov bolo odvtedy mnohokrát vizualizované pomocou fluorescenčnej mikroskopie (napr. [20–22,38]). Keďže mikrotubuly sú orientované vo väčšine kultivovaných neneurónových buniek s ich dynamickými „plus“ koncami smerom k na periférii bunky, rýchle kĺzanie ER tubulov smerom von vyžaduje motor mikrotubulov smerujúci do plusového konca. Za túto motilitu je zodpovedný zakladajúci člen nadrodiny kinezínov, kinezín{7}} [20,193,194].

Inhibícia kinezínu-1 nielenže inhibovala pohyb tubulov smerom von, ale tiež zvýšila podiel oblastí ER listu na periférii bunky [20]. Vzhľadom na to, že oblasti podobné listom môžu pozostávať buď z nahromadených jemných rúrkových sietí [34] alebo dosiek obsahujúcich nanodiery [33], bude zaujímavé zistiť, či tieto vrstvy zodpovedajú jednému z typov štruktúry, alebo či existuje zmes morfológií, ako je vidieť na obrázku nižšie. liečba nokodazolom [33].

Väčšina kinezínov-1 v živočíšnych bunkách je istetramérna, obsahuje dve identické motorické (KIF5) podjednotky a dve identické KLC [195]. Stavovce exprimujú tri gény KIF5: KIF5B je exprimovaný všade, zatiaľ čo KIF5A a C sú neuronálne obohatené. K KIF5A sa vrátime neskôr, pretože mutácie spôsobujú neurodegeneratívne ochorenia (tabuľka 1) [195]. Existujú štyri gény KLC, pričom KLC 1, 2 a 4 sú široko exprimované.

KLC1 ​​existuje vo viacerých striedavo zostrihaných formách, pričom KLC1B je potrebný na motilitu ER [20 193]. Dôležitou nevyriešenou otázkou je identita kinezínového-1 receptora v ER. Bolo navrhnutých niekoľko kandidátov, ale so všetkými existujú výhrady z nich. V neurónových a neneurónových bunkách a v rôznych tkanivách môžu byť rôzne receptory. Kinectín bol identifikovaný pomocou monoklonálnej protilátky blokujúcej funkciu [196] a viaže sa na C-koniec KIF5 [197].

Kinectín sa podieľa na regulácii dynamiky fokaladhézie počas chemotaxie podporovaním ER zacielenia na fokálne adhézie na prednej hrane bunky [198,199].

Je zaujímavé, že pre tento proces je potrebný Rab18 a tvorí ternárny komplex s kinectínom a kinezínom-1 [198]. Kinectínové knock-out myši však nemali žiadny fenotyp s normálnou distribúciou ER (a iných organel) v KO MEF [200].

Okrem toho, v kultivovaných neurónoch sa ER rozprestiera pozdĺž všetkých axónov, ale kinectín je pozorovaný iba v bunkovom tele [194], v súlade s jeho navrhovanou úlohou pri udržiavaní rozstupov ERsheet [13].

Napriek tomu deplécia siRNA kinectínu znížila dynamiku siete ER v bunkách Cos{0}} [26]. Je zaujímavé, že Rab10 sa podieľa aj na regulácii tvorby ERtubulov [7] a uvádza sa, že tvorí komplex s JIP1, neurónovo exprimovaným kinezínovým adaptérom, a KLC1 na podporu transportu sekrečných vezikúl počas neurónovej polarizácie a rastu axónov [201].

Či sa tento komplex podieľa na predlžovaní ERtubulov v neurónoch a či je komplex Rab18-kinektín-KIF5B potrebný na predlžovanie ER tubulov v nemigrujúcich bunkách, sú otvorené otázky. Ďalším kandidátom ER kinezínového-1 receptora je p180 , ktorý zdieľa homológiu s väzbovou doménou kinectínskinesínu-1 [202] a ktorý bol, podobne ako kinectín, tiež lokalizovaný do oblastí centrálnej vrstvy v neneurónových bunkách [13,16,194].

 V kultivovaných neurónoch sa však p180 lokalizoval nielen do vrstiev v bunkovom tele, ale aj do tubulov v axónoch, ale nie do dendritov [194], čo je alokalizácia v súlade s väzbou KIF5. Je však pravdepodobné, že pôsobí skôr ako kotva medzi ER a mikrotubulmi než ako kinezínový-1 receptor (pozri časť 3.1.3). Existujú dva ďalšie kandidátske kinezínové receptory.

Protrudin (génový názov ZFYVE27) je ER-rezidentný kinezín viažuci proteín s kľúčovou úlohou, ktorú zohráva pri vytváraní pohyblivej motility lateendozómu – ER MCS, ako je opísané v časti 3.1.2. Je však exprimovaný vo veľmi nízkych hladinách (nedetegovaný v proteóme buniek HeLa [203]) a zatiaľ čo jeho deplécia so siRNA vedie k neskorému zhlukovaniu endozómov v bunkovom centre [204, 205], nie je jasné, aký vplyv to má na distribúciu ER.

Nakoniec sa ukázalo, že transmembránový DNA-J-doménový proteín B14 lokalizovaný v ER interaguje s KIF5B a vytvára miesto pre uvoľnenie vírusu SV40 z ER [206], ale jeho zapojenie do normálnej dynamiky ER je potrebné ešte otestovať.

Vzhľadom na to, že ER sa rozprestiera smerom von z jadrového obalu smerom k bunkovej periférii, neočakávaným zistením bolo, že ER tubuly sa v interfázových extraktoch vajíčok Xenopus pohybovali smerom k mínusovým mikrotubulom, poháňaným dyneínom [19,184,190,207,208].

To zodpovedá požiadavke, aby dyneín v jadrovom obale poháňal pronukleárnu migráciu, ktorú možno v týchto extraktoch rekonštituovať [209]. Motilita ER riadená výlučne dyneínom však pokračovala aj v extraktoch vyrobených z embryí po piatom delení buniek: pohyb ER závislý od kinezínu bol pozorovaný len vtedy, keď sa použil cytosol z bunkovej línie pulcov [187].

Nedávna práca poskytla uspokojivé vysvetlenie tohto javu [210]: perinukleárny fond ER, ktorý sa hromadí v dôsledku aktivity dyneínu, je potrebný na zostavenie veľkých jadier pozorovaných u skorých embryí (v tejto štúdii embryá morského ježka a Xenopus).

Okrem toho expresia ďalšieho retikulonu 4b znížila veľkosť jadier, pravdepodobne znížením tvorby oblastí listu ER [210]. Extrakty vajíčok Xenopus tiež odhalili zmeny v dynamike ER závislé od bunkového cyklu, pričom pohyb riadený dyneínom bol inhibovaný v extraktoch so zastavenou metafázou [184, 190, 207], zatiaľ čo ERmotilita riadená myozínom V na aktínových vláknach bola aktivovaná [211].

Nahromadili sa ER listy [184], ako bolo hlásené v mitotických HeLa bunkách [37], hoci iné štúdie tomu odporujú [45,185]. Dyneín nie je len dôležitým motorom ER v embryonálnych bunkách. Približne polovica rýchlych pohybov tubulov ER v bunkách VERO nastala smerom k bunkovému centru a bola poháňaná dyneínom [20].

Okrem toho inhibícia dyneínu viedla k hlbokej akumulácii ERsheets na periférii bunky bez ovplyvnenia pohybu poháňaného kinezínom smerom von [20]. Podobne dyneín aj kinezín-1 riadia motilitu ER tubulov v axónoch [194] a dendrity [212,213] kultivovaných hipokampálnych neurónov hlodavcov. Receptor pre dyneinón ER nebol doteraz identifikovaný v žiadnom systéme, na rozdiel od ERES (časť 2.2.2).

Posledným príkladom pohybu poháňaného mikrotubulami, ktorý zahŕňa ER, je jadrová migrácia a polohovanie. Rovnako ako pronukleárna migrácia uvedená vyššie, kinezín a dyneín koordinujú jadrové umiestnenie v mnohých rôznych situáciách, ako napríklad počas migrácie jadra neurónov počas vývoja mozgu [214] a jadrového pohybu v mnohých štádiách vývoja C. elegans [215].

Dyneín v jadrovom obale je dôležitý pre separáciu centrozómov v neskorej G2/profáze a uľahčuje fragmentáciu jadrového obalu (prehľad v [216]). Kinezín-1 sa tiež podieľa na centrozóme a umiestňovaní jadra v nepolarizovaných bunkách, kde je rekrutovaný do jadrového obalu pomocou RanBP2 a BICD2 [217].

Je zaujímavé, že nesprin 4 je špecificky exprimovaný vo vonkajšom jadrovom obale v polarizovanom epiteli, kde získava kinezín-1, ktorý potom premiestňuje jadro do spodnej časti bunky [218].

For more information:1950477648nn@gmail.com