Isprepleteni i fino izbalansirani: morfologija endoplazmatskog retikuluma, dinamika, funkcija i bolesti 1. dio

sažetak:

Endoplazmatski retikulum (ER) je organela koja je odgovorna za mnoge bitne subćelijske procese. Međusobno povezani uski tubuli na periferiji i deblji listovi u perinuklearnoj regiji povezani su s nuklearnim omotačem.

Endoplazmatski retikulum je važna organela u ćelijama. Uglavnom je uključen u ćelijsku sintezu, obradu, izlučivanje i druge procese. Iako se čini da endoplazmatski retikulum i pamćenje nisu direktno povezani, oni su u nekim aspektima zaista blisko povezani.

Prvo, endoplazmatski retikulum je uključen u sintezu i funkciju moždanih stanica. Stoga endoplazmatski retikulum igra nezamjenjivu ulogu u normalnom razvoju i funkciji moždanih stanica. Razvoj i funkcija moždanih stanica usko su povezani s ljudskim pamćenjem, što znači da postoji i veza između endoplazmatskog retikuluma i pamćenja.

Drugo, u mozgu je endoplazmatski retikulum povezan sa sinaptičkom plastičnošću. Formiranje i održavanje pamćenja usko su povezani sa sinaptičkom plastičnošću. Endoplazmatski retikulum je također uključen u stvaranje i oslobađanje mnogih neurotransmitera tokom sinteze, obrade i izlučivanja proteina unutar ćelija. Ovi neurotransmiteri su povezani sa sinaptičkom plastičnošću. Stoga endoplazmatski retikulum također može utjecati na pamćenje.

Osim toga, endoplazmatski retikulum također učestvuje u metaboličkom procesu moždanih stanica i održava normalne metaboličke razine stanica. Abnormalnosti u endoplazmatskom retikulumu mogu utjecati na fiziološke funkcije moždanih stanica, što također može utjecati na napredne kognitivne funkcije kao što je pamćenje. Stoga, održavanje normalne funkcije endoplazmatskog retikuluma igra važnu ulogu u održavanju i poboljšanju zdravlja mozga i kognitivnih funkcija.

Da sumiramo, zaista postoji veza između endoplazmatskog retikuluma i pamćenja, a ta veza nije negativna. Stoga, u svakodnevnom životu, kako bismo održali zdravlje mozga i poboljšali pamćenje, trebamo obratiti pažnju na normalnu funkciju i metaboličku razinu endoplazmatskog retikuluma, kako bismo mogli bolje održavati vlastito zdravlje i kognitivne funkcije. Vidi se da moramo poboljšati pamćenje, a cistanche deserticola može značajno poboljšati pamćenje jer je cistanche deserticola tradicionalni kineski ljekoviti materijal koji ima mnogo jedinstvenih učinaka, od kojih je jedno poboljšanje pamćenja. Djelotvornost Cistanche deserticola dolazi od višestrukih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide, itd. Ovi sastojci mogu promovirati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite na saznajte 10 načina za poboljšanje memorije

Postaje očigledno da su kompleksna morfologija i dinamika ER-a povezani s njegovom funkcijom. Mutacije u proteinima koji su uključeni u regulaciju strukture i kretanja ER su uključeni u mnoge bolesti uključujući neurodegenerativne bolesti kao što su Alchajmerova, Parkinsonova i amiotrofična lateralna skleroza (ALS).

ER također otimaju patogeni kako bi promovirali njihovu replikaciju. Bakterije kao što su Legionella pneumophila i Chlamydia trachomatis, kao i Zika virus, vezuju se za ER morfologiju i proteine ​​koji reguliraju dinamiku kako bi iskoristili funkcije ER u svoju korist.

Ovaj pregled pokriva naše razumijevanje morfologije ER, uključujući funkcionalne poddomene i mjesta kontakta s membranom koja organele formiraju. Takođe se fokusiramo na dinamiku hitne pomoći i trenutne napore da se kvantifikuje kretanje ER i razgovaramo o bolestima povezanim sa morfologijom i dinamikom ER.
Ključne riječi:

endoplazmatski retikulum (ER); morfologija; dinamika; anomalna difuzija; mjesto kontakta s membranom (MCS); dynein; kinezin; mikrotubule.

1. Uvod

Endoplazmatski retikulum (ER) je subcelularna organela odgovorna za niz bitnih ćelijskih funkcija. U ER-u, proteini se sintetiziraju i podliježu posttranslacijskoj modifikaciji, ioni kalcija se pohranjuju i oslobađaju kako to diktira ćelijska signalizacija, a lipidi su u biosintezi.

ER je najveća organela u ćeliji i proteže se kao kontinuirani membranom vezan entitet od nuklearnog omotača do ćelijske periferije u složenoj mreži tubula i regija nalik na listove. Brza dinamika i reorganizacija, zajedno sa činjenicom da ER čini ~35% volumena citoplazme, znači da ER istražuje volumen citoplazme brže od bilo koje druge organele [1].

Za sada se malo razumije o funkciji dinamike ER ili efektima dinamike kod bolesti povezanih s ER. Kompleksnu strukturu ER održavaju različiti proteini uključujući retikulone, REEP i atlastine [2–4]. Ovi proteini koji regulišu morfologiju promovišu zakrivljenost membrane [2,3], pokreću fuziju tubula [4–8], stabilizuju spojeve [9–11], regulišu razmak listova [12–14] i vezuju ER za mikrotubule [15–17].

Saradnja između ovih proteina je neophodna za normalnu morfologiju, s prekomjernom ekspresijom određenih tipova koja dovodi do abnormalnih proporcija listova i tubula u mreži [6,9,18]. Mikrotubumotorni proteini kinezin-1 i citoplazmatski dinein (koji se ovdje nazivaju dinein) također se vezuju za endoplazmatski retikulum kako bi pokrenuli formiranje novih tubula i kontinuirano i dinamički remodelirali mrežu (npr. [19,20]).

Interakcije između ER i drugih organela na mjestima kontakta s membranom (MCS) također doprinose dinamici organele (odjeljak 3.1.2). Dinamika hitne pomoći je nova tema istraživanja.

Istorijski gledano, mjerene su brzine proširenja tubula [20–23], ali kvantifikacija drugih aspekata dinamike ER je bila izazovna zbog ograničenja u mikroskopiji i proračunu. Nedavno je objavljen softver dizajniran za analizu kretanja ER u živim ćelijama [24–27] i dalji razvoj u ovoj oblasti je vjerovatno uskoro.

Iako odnos između dinamike ER i funkcije još nije shvaćen, abnormalna dinamika ER nedavno je povezana s nekoliko bolesti [8,28,29], što ukazuje da je dinamika vjerovatno vrlo važna. Nasuprot tome, mutacije povezane s bolešću u proteinima koji reguliraju morfologiju su prilično bolje shvaćeni i uspostavljene su veze između morfologije i funkcije [30,31].

Ovaj pregled će detaljno opisati trenutno razumijevanje morfologije, dinamike i funkcije ER i međudjelovanja između njih, kao i bolesti povezanih s abnormalnostima u morfologiji i dinamici, fokusirajući se prvenstveno na ER u ćelijama kralježnjaka. Odjeljak 2 opisuje morfologiju ER, proteine ​​uključene u održavanje normalne ER strukture i veze između morfologije i funkcije koje su razjašnjene.

Odjeljak 3 će opisati dinamiku ER-a, faktore koji uzrokuju kretanje organela, trenutne napore da se kvantifikuje dinamika i nedavni razvoj računarske analize i modeliranja.

Konačno, Poglavlje 4 će detaljno opisati poznate veze između strukture/pokreta ER i bolesti, kao i proteina uključenih u ove bolesti. Rasprava o organizaciji poddomena ER specifično u neuronskim ćelijama predstavljena je u drugom članku ovog specijalnog izdanja [32].

2. Morfologija

Lipidni dvosloj ograničava lumen ER. Ovaj dvosloj je formiran u listove i tubule prečnika otprilike 80-100 nm [25,33,34], sa rasponom od ~50-100 nm [33], koji su povezani na spojevima kako bi formirali retikularnu mrežu.

Tubuli su u prosjeku dugački oko 1 µm i spajaju se na spojevima, obično spajajući 3 tubula [27,35]. Listovi su ravni, sa dvoslojnim odvajanjem od 30-50 nm [33], i često se javljaju u naslaganoj konfiguraciji sa spiralnim rampama koje povezuju slojeve [36].

Gustina listova je obično veća bliže centru ćelije (npr. [33,37,38]), gde endoplazmatski retikulum takođe uključuje nuklearni omotač; međutim, regioni nalik listovima se takođe javljaju u perifernoj ER.

Svetlosna mikroskopija super-rezolucije otkrila je da se neke periferne strukture za koje se prvobitno smatralo da su besheets sastoje od gustih matrica tubula [33,34,38], dok se druge sastoje od listova fenestriranih sa sitnim rupama (nanorupe: [33]).

Istraživanja proteina uključenih u oblikovanje ER membrane su opsežna i nedavno su pregledana [30,31,39]. Kompleksna morfologija ER-a je nedavno povezana s njegovom funkcijom (pregledano u [40]) i može se mijenjati kao odgovor na promijenjene metaboličke zahtjeve ili faze ćelijskog ciklusa, kao što je opisano kasnije.

2.1. Proteini koji regulišu morfologiju

Mnoštvo proteina je uključeno u regulaciju morfologije ER. Ovi proteini stabilizuju regione velike zakrivljenosti membrane, promovišu fuziju membrane, održavaju trosmerne spojeve, regulišu debljinu i ravnost sloja i pričvršćuju ER za mikrotubule (Slika 1).

ER, tubule i rubovi listova su područja velike zakrivljenosti membrane. Porodice proteina REEP i retikulon nalik na ukosnicu promoviraju zakrivljenost na površini ER radi stabilizacije tubula i rubova listova [2,3].

Retikulon 4 se također akumulira na rubovima nanorupa, kojih nema u Rtn4 nokaut ćelijama [33]. Smatra se da ovi proteini sjede sa širim krajem 'ukosnice' na vanjskoj ivici membrane kako bi promovirali zakrivljenost putem hidrofobnog zaglavljivanja, kao što je prikazano na slici 1C. Fuzija membrane je također neophodna za održavanje ispravne ER morfologije. Atlastin, anER rezidentna GTPaza, potrebna je za održavanje ER mreže i fuziju membrane [4-6].

Novi tubuli koji su izvučeni iz postojeće membranske strukture moraju biti spojeni u mrežu kako bi se očuvala normalna morfologija ER. Bian et al. je predložio da je atlastin rezidentan u membrani oba sjedinjujuća ruba i da se dimer formira između dva proteina [41] (vidi sliku 1F). Ova dimerizacija bi izazvala konformacionu promjenu u kojoj bi se proteini, a samim tim i ER membrana, približili, što bi na kraju izazvalo fuziju membrane.

Dvije RabGTPaze, Rab10 [7] i Rab18 [8] također su uključene u fuziju ER tubula. Smanjenje bilo kojeg od ovih proteina uzrokovalo je povećanje listova i smanjenje tubula.

Rab10 se također lokalizira na rastućim vrhovima ER tubula koji su obogaćeni s dva enzima za sintezu lipida: fosfoinozitolsintazom (PIS) i CEPT1 [7]. Zanimljivo je da se pokazalo da protein 1 povezan sa dinaminom (Drp1), protein neophodan za fisiju mitohondrija, potiče formiranje ER tubula nezavisno od Rtn4 [42].

Trosmjerne spojeve ER mreže u stanicama sisara stabilizira Lnp1 sisara, član porodice Lunapark [9–11]. mLnp1 se lokalizira na trosmjerne spojeve u Cos-7 ćelijama, a spojevi kojima nedostaje mLnp1 bili su mnogo dinamičniji i kraćeg vijeka od svojih mLnp1-obogaćenih parnjaka [10].

Spojevi bez Lunaparka često su nestajali zatvaranjem prstena, u kojem spojevi klize duž susjedne tubule dok se ne spoje s drugim spojem, dok je zatvaranje prstena bilo manje uobičajeno kao Lnp1 spojevi [10].

Stoga Lunapark stabilizira trosmjerne spojeve u mreži. Saradnja ovih proteina je ključna u regulaciji morfologije ER. Da bi se održala normalna morfologija ER, bila je potrebna ravnoteža između ekspresije retikulona 4a i atlastina [6]. Duge, nerazgranate tubule uočene su u ćelijama sa malo funkcije atlastina i u ćelijama koje prekomerno eksprimiraju retikulon 4a.

Ekspresija atlastina i retikulona 4a u Lunapark knockout ćelijama obnovila je normalnu morfologiju mreže na periferiji ćelije. Kod kvasca, ravnoteža između Lunapark Lnp1p i atlastinskog homologa Sey1p potrebna je za tipično formiranje poligonalne mreže [9]. Lunapark i atlastin se također koordiniraju kako bi održavali trosmjerne spojeve u stanicama sisara, pri čemu Lunapark nije u mogućnosti da lokalizira spojeve kada se atlastini brišu [18].

Koristeći drugačiji, ali komplementaran pristup, Shemesh et al. modelirao ER mrežu, fokusirajući se na dvije klase proteina koji regulišu morfologiju [43], pri čemu je Lunapark predložen kao protein koji indukuje negativnu zakrivljenost i retikulone koji poboljšavaju ravne ivice. Promjena nivoa ekspresije Lunapark inCos-7 ćelija dovela je do različitih ER morfologija, a različita svojstva mreže kao što su ukupna dužina i preferirani oblik spojeva su replicirana promjenom koncentracija proteina u simulacijama.

Relativne koncentracije proteina koji regulišu morfologiju ER su od velike važnosti za normalnu strukturu ER. CLIMP-63, integralni membranski protein, predložen je kao mehanizam za kontrolu lumenalnog odvajanja između dvije membrane ER listova [12– 14]. Kao što je prikazano na slici 1A, njegov veliki zavojni domen nalazi se unutar lumena ER-a i pretpostavlja se da se vezuje za zavojite domene drugih CLIMP-63 proteina kako bi regulisao debljinu sloja [12]. Prekomjerna ekspresija CLIMP-63 izaziva formiranje listova koji sadrže nanorupe [33].

Drugi faktor koji utiče na debljinu sloja možda su grupe ribozoma, koje se nazivaju i poliribozomi, vezane za citosolno lice ER [44] (vidi sliku 1G). Uklanjanje ribozoma sa površine ER konvertuje listove totubula, podržavajući hipotezu da poliribozomi stabilizuju ER listove [45]. p180 i kinektin, dva proteina koja su po konformaciji slična CLIMP-63, mogu igrati ulogu u naduvavanju površine listova [13], iako postoji malo uvjerljivih dokaza koji podržavaju ovu ideju. Oba proteina su potencijalni receptori za motorni kinezin mikrotubula-1 (vidi Odjeljak 3.1.1).

Mikrotubule i aktinski citoskelet igraju glavnu ulogu u regulaciji ER pozicije i morfologije, kako putem dinamičkih tako i statičkih veza (Slika 1D, E), kao što je objašnjeno u Odjeljku 3. Zajedno, proteini uključeni u vezivanje i pokretljivost citoskeleta, stabilizaciju zakrivljenosti membrane, fuziju tubula, Održavanje spojeva i regulacija debljine lima neophodni su za održavanje normalne ER strukture.

For more information:1950477648nn@gmail.com