Isprepleteni i fino uravnoteženi: Morfologija endoplazmatskog retikuluma, dinamika, funkcija i bolesti, 1. dio

Sažetak:

Endoplazmatski retikulum (ER) je organela koja je odgovorna za mnoge bitne substanične procese. Međusobno povezani uski tubuli na periferiji i deblja područja nalik listićima u perinuklearnom području povezani su s ovojnicom jezgre.

Endoplazmatski retikulum važan je organel u stanicama. Uglavnom je uključen u staničnu sintezu, obradu, sekreciju i druge procese. Iako se čini da endoplazmatski retikulum i pamćenje nisu izravno povezani, u nekim su aspektima doista blisko povezani.

Prvo, endoplazmatski retikulum uključen je u sintezu i funkciju moždanih stanica. Stoga endoplazmatski retikulum ima nezamjenjivu ulogu u normalnom razvoju i funkcioniranju 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 je povezano sa sinaptičkom plastičnošću. Endoplazmatski retikulum također je uključen u stvaranje i oslobađanje mnogih neurotransmitera tijekom sinteze, obrade i izlučivanja proteina unutar stanica. Ovi neurotransmiteri povezani su sa sinaptičkom plastičnošću. Stoga endoplazmatski retikulum također može utjecati na pamćenje.

Osim toga, endoplazmatski retikulum također sudjeluje u metaboličkom procesu moždanih stanica i održava normalnu metaboličku razinu stanica. Abnormalnosti u endoplazmatskom retikulumu mogu utjecati na fiziološke funkcije moždanih stanica, što također može utjecati na napredne kognitivne funkcije poput pamćenja. Stoga održavanje normalne funkcije endoplazmatskog retikuluma igra važnu ulogu u održavanju i poboljšanju zdravlja mozga i kognitivnih funkcija.

Ukratko, doista postoji veza između endoplazmatskog retikuluma i pamćenja, a ta veza nije negativna. Stoga, u svakodnevnom životu, kako bismo održali zdravlje mozga i poboljšali pamćenje, trebali bismo obratiti pozornost 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, a jedno od njih je i poboljšanje pamćenja. Djelotvornost Cistanche deserticola proizlazi iz brojnih aktivnih sastojaka koje sadrži, uključujući taninsku kiselinu, polisaharide, flavonoidne glikozide itd. Ovi sastojci mogu promicati zdravlje mozga na različite načine.

Kliknite na 10 načina za poboljšanje pamćenja

Postaje očito da su složena morfologija i dinamika ER-a povezane s njegovom funkcijom. Mutacije u proteinima uključenim u regulaciju strukture i kretanja ER-a upletene su u mnoge bolesti uključujući neurodegenerativne bolesti kao što su Alzheimerova, Parkinsonova i amiotrofična lateralna skleroza (ALS).

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

Ovaj pregled pokriva naše razumijevanje morfologije ER-a, uključujući funkcionalne poddomene i membranska kontaktna mjesta koja formiraju organele. Također se usredotočujemo na dinamiku ER-a i trenutne napore da se kvantificira kretanje ER-a i raspravljamo o bolestima povezanim s morfologijom i dinamikom ER-a.
Ključne riječi:

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

1. Uvod

Endoplazmatski retikulum (ER) je substanična organela odgovorna za niz bitnih staničnih funkcija. U ER-u, proteini se sintetiziraju i podvrgavaju se posttranslacijskoj modifikaciji, ioni kalcija se pohranjuju i otpuštaju prema zahtjevima stanične signalizacije, a lipidi su biosinteza.

ER je najveća organela u stanici i proteže se kao neprekinuta celina vezana za membranu od ovojnice jezgre do periferije stanice u složenoj mreži tubula i regija sličnih listićima. Brza dinamika i reorganizacija, zajedno s činjenicom da ER čini ~35% volumena citoplazme, znači da ER istražuje volumen citoplazme brže od bilo koje druge organele [1].

Još uvijek se malo razumije o funkciji dinamike ER-a ili učincima dinamike u bolestima povezanim s ER-om. Složenu strukturu ER-a održavaju različiti proteini uključujući retikulone, REEP-ove i atlastine [2-4]. Ovi proteini koji reguliraju morfologiju promiču zakrivljenost membrane [2,3], pokreću fuziju tubula [4-8], stabiliziraju spojeve [9-11], reguliraju razmak između listova [12-14] i vežu ER za mikrotubule [15-17].

Suradnja između ovih proteina ključna je za normalnu morfologiju, s prekomjernom ekspresijom određenih tipova što dovodi do abnormalnih proporcija listova i tubula u mreži [6,9,18]. Proteini mikrotubulomotora kinezin-1 i citoplazmatski dinein (ovdje se nazivaju dinein) također se vežu za endoplazmatski retikulum kako bi potaknuli stvaranje novih tubula i kontinuirano i dinamički preoblikovali mrežu (npr. [19,20]).

Interakcije između ER i drugih organela na kontaktnim mjestima membrane (MCS) također doprinose dinamici organela (odjeljak 3.1.2). Dinamika hitne pomoći sve je veća tema istraživanja.

Povijesno gledano, mjerene su brzine širenja tubula [20-23], ali kvantifikacija drugih aspekata ER dinamike bila je izazovna zbog ograničenja u mikroskopiji i računanju. Nedavno je objavljen softver dizajniran za analizu gibanja ER-a u živim stanicama [24-27], a daljnji razvoj u ovom području vjerojatno je uskoro.

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

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

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

Na kraju, odjeljak 4 detaljno će opisati poznate veze između strukture/kretanja ER-a i bolesti, kao i proteina uključenih u te bolesti. Rasprava o organizaciji poddomena ER-a posebno u neuronskim stanicama predstavljena je u drugom članku ovog posebnog broja [32].

2. Morfologija

Lipidni dvosloj omeđuje lumen ER. Taj se dvosloj oblikuje u listove i tubule promjera otprilike 80-100 nm [25,33,34], s rasponom od ~50-100 nm [33], koji su spojeni na spojevima i tvore retikularnu mrežu.

Tubuli su prosječne duljine oko 1 µm i spajaju se na spojevima, obično spajajući 3 tubula [27,35]. Ploče su ravne, s dvoslojnim odmakom od 30-50 nm [33], i često se pojavljuju u naslaganoj konfiguraciji sa spiralnim rampama koje povezuju slojeve [36].

Gustoća slojeva obično je veća bliže središtu stanice (npr. [33,37,38]), gdje endoplazmatski retikulum također uključuje jezgrinu ovojnicu; međutim, područja slična listovima također se pojavljuju u perifernom ER-u.

Svjetlosna mikroskopija visoke razlučivosti otkrila je da se neke periferne strukture za koje se prvobitno mislilo da su ploče sastoje od gustih matrica tubula [33,34,38], dok druge sadrže ploče prošarane sitnim rupama (nanorupe: [33]).

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

2.1. Proteini koji reguliraju morfologiju

Mnoštvo proteina uključeno je u regulaciju morfologije ER. Ovi proteini stabiliziraju područja visoke zakrivljenosti membrane, potiču fuziju membrane, održavaju trosmjerne spojeve, reguliraju debljinu i ravnost sloja i pričvršćuju ER na mikrotubule (Slika 1).

ER, tubuli i rubovi listova su područja visoke zakrivljenosti membrane. Obitelji proteina REEP i retikulona poput ukosnica promoviraju zakrivljenost površine ER-a kako bi se stabilizirali tubulumi i rubovi lista [2,3].

Retikulon 4 se također nakuplja na rubovima nanorupa, kojih nema u Rtn4 knockout stanicama [33]. Smatra se da ti proteini stoje sa širim krajem 'ukosnice' na vanjskom rubu membrane kako bi pospješili zakrivljenost putem hidrofobnog uklještenja, kao što je prikazano na slici 1C. Fuzija membrane također je bitna za održavanje ispravne morfologije ER. Atlastin, ER-rezidentna GTPaza, potrebna je za održavanje ER mreže i fuziju membrane [4-6].

Novi tubuli koji se izvlače iz postojeće membranske strukture moraju se spojiti s mrežom kako bi se očuvala normalna morfologija ER. Bian i sur. predložio da je atlastin rezident u membrani oba spojna ruba i da se dimer formira između dva proteina [41] (vidi sliku 1F). Ova bi dimerizacija uzrokovala konformacijsku promjenu u kojoj bi se proteini, a time i ER membrana, približili, što bi na kraju uzrokovalo spajanje membrane.

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

Rab10 se također lokalizira na vrhove rasta ER tubula koji su obogaćeni dvama enzimima za sintezu lipida: fosfoinozitolsintazom (PIS) i CEPT1 [7]. Zanimljivo, protein 1 (Drp1) povezan s dinaminom, protein neophodan za fisiju mitohondrija, pokazalo se da potiče stvaranje ER tubula neovisno o Rtn4 [42].

Trosmjerni spojevi ER mreže u stanicama sisavaca stabilizirani su Lnp1 sisavaca, članom obitelji Lunapark [9-11]. mLnp1 se lokalizira na trosmjernim spojevima u Cos-7 stanicama, a spojevi bez mLnp1 bili su mnogo dinamičniji i kraćeg vijeka od njihovih mLnp1-obagaćenih parnjaka [10].

Spojevi bez Lunaparka često su nestajali zatvaranjem prstena, u kojem spojevi klize duž susjedne cjevčice dok se ne spoje s drugim spojem, dok je zatvaranje prstena bilo rjeđe u obliku Lnp1 spojeva [10].

Stoga Lunapark stabilizira trosmjerne spojeve u mreži. Suradnja ovih proteina ključna je u regulaciji morfologije ER. Za održavanje normalne morfologije ER bila je potrebna ravnoteža između ekspresije retikulona 4a i atlastina [6]. Dugi, nerazgranati tubuli viđeni su u stanicama s malom funkcijom atlastina i u stanicama s prekomjernom ekspresijom retikulona 4a.

Ekspresija atlastina i retikulona 4a u izbačenim stanicama Lunaparka obnovila je normalnu mrežnu morfologiju na periferiji stanice. Kod kvasca je potrebna ravnoteža između Lunapark Lnp1p i homologa atlastina Sey1p za tipično formiranje poligonalne mreže [9]. Lunapark i atlastin također se koordiniraju kako bi formirali i održavali trosmjerne spojeve u stanicama sisavaca, pri čemu Lunapark ne može lokalizirati spojeve kada su atlastini izbrisani [18].

Koristeći drugačiji, ali komplementarni pristup, Shemesh et al. modelirali su ER mrežu, fokusirajući se na dvije klase proteina koji reguliraju morfologiju [43], pri čemu je Lunapark predložen kao protein koji izaziva negativnu zakrivljenost, a retikuloni koji poboljšavaju ravne rubove. Promjena razine ekspresije stanica Lunapark u Cos-7 stanicama dovela je do različitih ER morfologija, a različita svojstva mreže kao što su ukupna duljina i preferirani oblik spojeva replicirana su promjenom koncentracije proteina u simulacijama.

Relativne koncentracije proteina koji reguliraju ER-morfologiju od velike su važnosti za normalnu strukturu ER-a. CLIMP-63, integralni membranski protein, predložen je kao mehanizam za kontrolu lumenalnog odvajanja između dviju membrana ER listova [12– 14]. Kao što je prikazano na slici 1A, njegova velika zavojna domena nalazi se unutar lumena ER-a i pretpostavlja se da se veže na zavojne domene drugih CLIMP-63 proteina za regulaciju debljine sloja [12]. Prekomjerna ekspresija CLIMP-63 inducira stvaranje ploča koje sadrže nanorupe [33].

Drugi čimbenik koji utječe na debljinu sloja možda su skupine ribosoma, koje se također nazivaju poliribosomi, vezane za citosolnu stranu ER [44] (vidi sliku 1G). Uklanjanje ribosoma s površine ER-a pretvorilo je listove u tubule, podupirući hipotezu da poliribosomi stabiliziraju listove ER-a [45]. p180 i kinektin, dva proteina koji su po konformaciji slični CLIMP-u-63, mogu igrati ulogu u nadimanju površine listova [13], iako postoji malo konačnih dokaza koji podupiru ovu ideju. Oba su proteina potencijalni receptori za mikrotubularni motor kinezin-1 (vidi Odjeljak 3.1.1).

Mikrotubuli i aktinski citoskelet igraju glavnu ulogu u regulaciji položaja i morfologije ER, putem dinamičkih i statičkih veza (Slika 1D, E), kao što je objašnjeno u odjeljku 3. Zajedno, proteini uključeni u vezanje i pokretljivost citoskeleta, stabilizaciju zakrivljenosti membrane, fuziju tubula, održavanje spojeva i regulacija debljine lima ključni su za održavanje normalne ER strukture.

For more information:1950477648nn@gmail.com