Isprepleteni i fino uravnoteženi: Morfologija, dinamika, funkcija i bolesti endoplazmatskog retikuluma, 4. dio

3. ER Dinamika

Hitna pomoć nije samo složena po svojoj organizaciji nego i po svom kretanju. Napredak u razumijevanju dinamike ER-a bio je sporiji od morfologije ER-a jer tada uski tubuli i stalno kretanje i preuređivanje mreže čine ER izazovnim za slikanje.

Endoplazmatski retikulum jedan je od važnih organa u stanicama i ima mnoge važne biološke funkcije, kao što su sinteza proteina, reakcija glikozilacije, sinteza i razgradnja lipida, transport i skladištenje iona, itd. Osim toga, istraživanja pokazuju da postoji i bliska povezanost između endoplazmatskog retikuluma i memorije.

Prvo, endoplazmatski retikulum ima vrlo važnu ulogu u održavanju normalnih fizioloških funkcija neurona. Velik broj studija pokazao je da disfunkcija endoplazmatskog retikuluma može dovesti do smetnji u razvoju i sazrijevanju neurona, čime utječe na sposobnost učenja i pamćenja ljudi. U isto vrijeme, endoplazmatski retikulum također je uključen u sinaptičku plastičnost neurona. Kroz regulaciju obrnutog transporta i oslobađanja kalcijevih iona, sudjeluje u formiranju i održavanju sinaptičke plastičnosti kao što su dugotrajna potencijacija i dugotrajna depresija.

Drugo, istraživanja pokazuju da endoplazmatski retikulum ima funkciju regulacije neurotransmisije. Endoplazmatski retikulum izravno ili neizravno utječe na komunikaciju između neurona reguliranjem sinteze i transporta neurotransmitera. Stoga disfunkcija endoplazmatskog retikuluma može uzrokovati ozbiljnu neravnotežu neurotransmitera, što dovodi do štetnih posljedica kao što su gubitak pamćenja i mentalna degeneracija.

Konačno, endoplazmatski retikulum također može sintetizirati i pohraniti velike količine lipida, uključujući sfingomijelin, koji je potreban neuronima. Sfingomijelin je izuzetno važan za održavanje stabilnosti i funkcije neurona. Stoga sposobnost endoplazmatskog retikuluma da regulira sfingomijelin izravno utječe na kvalitetu rada mozga i pamćenje ljudi.

Ukratko, odnos između endoplazmatskog retikuluma i pamćenja je neodvojiv. Jačanjem razumijevanja i regulacije funkcije endoplazmatskog retikuluma možemo bolje zaštititi i poboljšati pamćenje ljudi, čime se poboljšava kvaliteta života i učenja. 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.

Pritisnite Know Shortterm Memory kako poboljšati

ER dinamika u stanicama sisavaca može se kategorizirati u tri vrste: oscilacija uspostavljenih mrežnih elemenata; dinamika čestica unutar ER lumena ili membrane; i stvaranje novih mrežnih elemenata (vidi sliku 3).

Svrha dinamike ER-a još uvijek nije jasna, ali prevladavajuća teorija je da oscilacije ubrzavaju procese koji se odvijaju u ER-u olakšavanjem kretanja lumenalnih i transmembranskih čestica [25,180,181].

3.1. Cytoskeletal Control of ER Dynamics

Hitna pomoć stalno preuređuje svoju prostornu organizaciju. Impresivna dinamika ER-a primijećena je u živim kultiviranim stanicama CV1 [182], plućnim stanicama mladenaca [23] i konusima rasta u kultiviranim neuronima [183] ​​mnogo prije otkrića zelenog fluorescentnog proteina (GFP), upotrebom lipofilne boje DiOC6.

Novi tubuli mogu se izvući iz postojeće mreže i spojiti sa susjednim tubulima ili spojevima kako bi se stvorile nove veze, a mrežni poligoni se mogu formirati i nestati ([182]; Slika 4). Ovo kretanje pokretano motorom mikrotubula opisano je u odjeljku 3.1.1. Udio mreže u listovima i tubulima također se može dinamički mijenjati.

Listovi ER se reorganiziraju u tubule kada se ribosomi skinu s njihove površine puromicinom [45]. Kao što je opisano u nastavku, inhibicija kretanja tubula temeljenog na mikrotubulima može zauzvrat povećati udio pločastih regija. Zabilježeno je da ulazak u mitozu pokreće širenje lista [37,43,184], iako su druge studije pokazale pojačanu mitotičku tubulaciju [45] koju pokreću REEP-ovi 3 i 4 [185].

Takva dinamička reorganizacija može pomoći organeli da brzo uzorkuje stanični volumen [1] i odgovori na promjene u staničnim potrebama i statusu prehrane (odjeljak 3.1.3).

Mikrotubulni motori povezani s ER-om nisu jedini način na koji ER stupa u interakciju s citoskeletom, au sljedećim odjeljcima opisujemo kako se tubule također mogu proširiti interakcijama s rastućim mikrotubulima putem kompleksa za pričvršćivanje vrhova (TACs) i povezivanjem s pokretnim MCS-ovima.

Također su prikazane statičke interakcije ER tubula s mikrotubulima i uloga aktinskog citoskeleta.

3.1.1. Mikrotubulni motori pokreću ER dinamiku

Rane studije koje su koristile DiOC6 otkrile su da su ER tubuli na periferiji stanice često blisko povezani s mikrotubulima [23,183,186], što je potvrđeno u mnogim kasnijim studijama (npr. [21,38,187]).

Preuređivanje prstena i grananje tubula također se događa u vezi s mikrotubulima [38]. Depolimerizacija mikrotubula potpuno je inhibirala ER tubule i dinamiku mreže u VERO stanicama [20] povećala je količinu ER u pločastim strukturama i smanjila tubularnu mrežu [20,37,38,186,188].

Slike u super rezoluciji u živim stanicama pokazale su da se te ploče sastoje od mješavine morfologija, uključujući debele ploče, tanje ploče koje sadrže nanorupe i guste cjevaste mreže [33], što sugerira da mikrotubule ne samo da kontroliraju položaj ER mreže, već i pridonose detaljna organizacija ER membranskih domena.

Izravna vizualizacija tubula sličnih ER-u koji se protežu duž mikrotubula prvo je došla iz in vitro testova korištenjem ekstrakata iz stanica CV1 [189] ili interfaznih jajašca Xenopus [190] gdje je video-pojačana diferencijalna interferencijska kontrastna mikroskopija otkrila klizanje membrane bez tubula duž mikrotubula. Pokazalo se da su mreže Xenopus ER označavanjem protutijela i prisutnošću polisoma na površini membrane [19].

Pokretljivost je dovela tubule u međusobni kontakt, što je rezultiralo fuzijom tubula [19,20,189] koja je ovisila o atlastinu [184]. Osim toga, i glatki i hrapavi ER iz jetre štakora formiraju pokretne mreže u kombinaciji s interfaznim citosolom jajašca Xenopus, pokazujući očuvanje pokretljivosti i spajanja membrane među vrstama [191]. Međutim, ako je koncentracija membrane dovoljno visoka in vitro, mreža ER tubula može se formirati u odsutnosti mikrotubula [192].

Motorno pokretano klizanje ER tubula duž mikrotubula otada je mnogo puta vizualizirano pomoću fluorescentne mikroskopije (npr. [20-22,38]). Budući da su mikrotubuli u većini kultiviranih ne-neuronskih stanica usmjereni svojim dinamičkim 'plus' krajevima prema periferije stanice, brzo klizanje ER tubula prema van zahtijeva mikrotubulni motor usmjeren na aplus-kraj. Osnivač superobitelji kinezina, kinezin-1, odgovoran je za ovu pokretljivost [20,193,194].

Inhibicija kinezina-1 ne samo da je inhibirala kretanje tubula prema van, već je također povećala udio regija ER listova na periferiji stanice [20]. S obzirom da se područja slična pločama mogu sastojati ili od nakupljenih finih cjevastih mreža [34] ili od ploča koje sadrže nanorupe [33], bit će zanimljivo vidjeti odgovaraju li te ploče bilo kojoj vrsti strukture ili postoji li mješavina morfologija, kao što se vidi nakon liječenje nokodazolom [33].

Većina kinezina-1 u životinjskim stanicama je istetramerna, sastoji se od dvije identične motoričke (KIF5) podjedinice i dvije identične KLC [195]. Kralješnjaci izražavaju tri gena KIF5: KIF5B se eksprimira posvuda, dok su KIF5A i C obogaćeni neuronima. Kasnije ćemo se vratiti na KIF5A budući da mutacije uzrokuju neurodegenerativne bolesti (Tablica 1) [195]. Postoje četiri KLC gena, pri čemu su KLC 1, 2 i 4 široko eksprimirani.

KLC1 ​​postoji u višestrukim naizmjenično spojenim oblicima, pri čemu je KLC1B neophodan za pokretljivost ER-a [20,193]. Važno neriješeno pitanje je identitet receptora kinezin-1 u ER-u. Predloženo je nekoliko kandidata, ali postoje upozorenja sa svim od njih. Mogu postojati različiti receptori u neuronskim naspram ne-neuronskih stanica i u različitim tkivima. Kinektin je identificiran korištenjem monoklonskog protutijela za blokiranje funkcije [196] i veže se za KIF5 C-terminus [197].

Kinektin je uključen u regulaciju dinamike žarišne adhezije tijekom kemotaksije promicanjem ciljanja ER na žarišne adhezije na vodećem rubu stanice [198,199].

Zanimljivo je da je Rab18 potreban za ovaj proces i tvori ternarni kompleks s kinektinom i kinezinom-1 [198]. Međutim, miševi s nokautom kinektina nisu imali fenotip, s normalnom distribucijom ER (i drugih organela) u KO MEF-ovima [200].

Nadalje, u uzgojenim neuronima, ER se proteže duž cijelog aksona, no kinektin se opaža samo u tijelu stanice [194], u skladu s njegovom predloženom ulogom u održavanju razmaka ERsheet [13].

Unatoč tome, smanjenje siRNA kinektina smanjilo je dinamiku ER mreže u Cos-7 stanicama [26]. Intrigantno je da je Rab10 također uključen u regulaciju formiranja ERtubula [7] i objavljeno je da tvori kompleks s JIP1, kinezinskim adaptorom ekspresiranim u neuronima, i KLC1, za promicanje transporta sekretornih vezikula tijekom polarizacije neurona i rasta aksona [201].

Je li ovaj kompleks uključen u produljenje ERtubula u neuronima i je li kompleks Rab18-kinektin-KIF5B potreban za produljenje ER tubula u nemigrirajućim stanicama otvorena su pitanja. Još jedan kandidat za ER kinezin-1 receptor je p180 , koja dijeli homologiju s veznom domenom kinektin'skinesin-1 [202], i koja je, poput kinektina, također lokalizirana u regijama središnjeg lista u ne-neuronskim stanicama [13,16,194].

 U uzgojenim neuronima, međutim, p180 nije lokaliziran samo na listove u tijelu stanice, već i na tubule u aksonima, ali ne i na dendrite [194], alokalizacija je u skladu s vezanjem KIF5. Međutim, vjerojatno će djelovati kao sidro između ER i mikrotubula, a ne kao kinezin-1 receptor (vidi odjeljak 3.1.3). Postoje još dva kandidata za kinezin receptore.

Protrudin (naziv gena ZFYVE27) je ER-rezidentni protein koji veže kinezin s ključnom ulogom u stvaranju pokretljivosti lateendosoma–ER MCS, kao što je opisano u odjeljku 3.1.2. Međutim, eksprimira se na vrlo niskim razinama (neotkriveno u HeLa staničnom proteomu [203]), i dok njegovo smanjenje pomoću siRNA dovodi do kasnog grupiranja endosoma u staničnom središtu [204,205], nije jasno kakav to učinak ima na distribuciju ER.

Konačno, pokazalo se da ER-lokaliziran transmembranski DNA-J-domenaprotein B14 stupa u interakciju s KIF5B kako bi stvorio mjesto za otpuštanje virusa SV40 iz ER-a [206], ali njegovu uključenost u normalnu dinamiku ER-a tek treba ispitati.

S obzirom na to da se ER proteže prema van od jezgrine ovojnice prema periferiji stanice, neočekivano je otkriće da se ER tubuli kreću prema minusendovima mikrotubula u interfaznim ekstraktima jajašca Xenopus, pokretani dyneinom [19,184,190,207,208].

Ovo odgovara zahtjevu za dynein u jezgrinoj ovojnici za pokretanje pronuklearne migracije, koja se može rekonstituirati u ovim ekstraktima [209]. Međutim, pokretljivost ER-a vođena isključivo dineinom nastavila se čak iu ekstraktima napravljenim od embrija nakon pete stanične diobe: kretanje ER-a ovisno o kinezinu uočeno je samo kada je korišten citosol iz stanične linije punoglavca [187].

Nedavni rad pružio je zadovoljavajuće objašnjenje za ovaj fenomen [210]: perinuklearni skup ER koji se nakuplja zbog aktivnosti dineina potreban je za sastavljanje velikih jezgri viđenih u ranim embrijima (embriji morskog ježa i Xenopusa u ovoj studiji).

Nadalje, ekspresija dodatnog retikulona 4b smanjila je veličinu jezgri, vjerojatno smanjenjem formiranja ER regija [210]. Ekstrakti jajašca Xenopusa također su otkrili promjene ovisne o staničnom ciklusu u dinamici ER, pri čemu je kretanje potaknuto dineinom inhibirano u ekstraktima koji su zaustavili metafazu [184,190,207], dok je pokretljivost ER-a potaknuta miozinom V na aktin filamentima bila aktivirana [211].

ER listovi su se nakupljali [184], kao što je prijavljeno u mitotičkim HeLa stanicama [37], iako druge studije tome proturječe [45,185]. Dynein nije samo važan ER motor u embrionalnim stanicama. Otprilike polovica brzih kretnji tubula u VERO stanicama odvijala se prema staničnom središtu i bila su vođena dineinom [20].

Nadalje, inhibicija dineina dovela je do dubokog nakupljanja ERsheets na periferiji stanice bez utjecaja na kretanje potaknuto kinezinom [20]. Slično, i dinein i kinezin-1 pokreću pokretljivost ER tubula u aksonima [194] i dendriti [212,213] uzgojenih neurona hipokampusa glodavaca. Do sada, receptor za dyneinon ER nije identificiran ni u jednom sustavu, za razliku od ERES (odjeljak 2.2.2).

Posljednji primjer kretanja pokretanog motorom mikrotubula koji uključuje ER je nuklearna migracija i pozicioniranje. Kao i gore spomenuta pro-nuklearna migracija, kinezin i dinein koordiniraju nuklearno pozicioniranje u mnogim različitim situacijama, kao što je tijekom neuronske nuklearne migracije tijekom razvoja mozga [214] i nuklearnog kretanja u mnogim fazama razvoja C. elegans [215].

Dynein u jezgrinoj ovojnici važan je za odvajanje centrosoma u kasnoj G2/profazi i olakšava fragmentaciju jezgrene ovojnice (pregled u [216]). Kinezin-1 također je uključen u pozicioniranje centrosoma i jezgre u nepolariziranim stanicama, gdje ga RanBP2 i BICD2 regrutiraju u nuklearnu ovojnicu [217].

Zanimljivo je da se nesprin 4 specifično eksprimira na vanjskoj jezgrinoj ovojnici u polariziranim epitelima, gdje regrutira kinezin-1 koji zatim translocira jezgru u bazu stanice [218].

For more information:1950477648nn@gmail.com