Isprepleteni i fino uravnoteženi: Morfologija, dinamika, funkcija i bolesti endoplazmatskog retikuluma, 7. dio

3.4. Računalna analiza ER dinamike

Analiza dinamike ER in vivo izazovna je zbog njegove složene morfologije i brze dinamike, kao i fototoksičnosti eksperimenata fluorescentne mikroskopije. Matematičko modeliranje mreže prilika je za dobivanje daljnjeg uvida u ovaj složeni sustav s drugačijeg gledišta.

Složeni oblici imaju tendenciju impresionirati, pa čak i pobuditi veliko zanimanje. Međutim, je li te grafike, tekst ili druge oblike lako zapamtiti, pitanje je koje vrijedi istražiti.

Općenito govoreći, složeni oblici zahtijevaju više memorije za pamćenje. Na primjer, složena matematička formula, složeni uzorak ili složena lozinka zahtijevaju da uložimo više vremena i truda da ih zapamtimo. Međutim, to ne znači da složene oblike mora biti teško zapamtiti.

Naprotiv, ako se aktivno suočimo sa složenim oblicima i usvojimo ispravnu metodu pamćenja, tada ih možemo lako zapamtiti. Na primjer, kada želimo zapamtiti složenu formulu, možemo upotrijebiti metodu "pamćenja korak po korak", odnosno prvo rastaviti formulu na manje jedinice, zapamtiti svaku jedinicu i na kraju te jedinice spojiti.

Osim toga, možemo koristiti razne tehnike pamćenja koje nam pomažu zapamtiti složene oblike. Na primjer, stvaranje asocijacija za povezivanje oblika sa stvarima koje su nam već poznate jača pamćenje. Ili, možemo koristiti mnemotehniku ​​slika za pretvaranje oblika u slike, što olakšava pamćenje.

Ukratko, složeni oblici ne znače da ih je teško zapamtiti. Sve dok se s njima suočimo na pravi način i zadržimo pozitivan stav, lako ih se sjećamo. Kroz takve napore ne samo da možemo bolje zapamtiti složene oblike, već i poboljšati svoje pamćenje i postati bolje verzije samih sebe. 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

ER tubule se mogu smatrati polufleksibilnim polimerima, sa spojevima predstavljenim poprečnim vezama. Nedavno su mnoge skupine modelirale dinamiku takvih umreženih mreža polufleksibilnih polimera [263-266], uključujući one pod utjecajem aktivnih sila kao što su molekularni motori [267-270]. Takvi modeli mogu pružiti uvid u dinamiku ER mreže pojednostavljujući sustav i uzimajući u obzir samo interakcije s mikrotubulima.

Nedavna studija koja modelira gibanje čestica okruženih mrežom polusavitljivih polimera mogla bi pružiti uvid u funkcionalne razloge za aktivno preuređivanje ER-a. Gong i sur. [270] su otkrili da je difuzija čestica ugrađenih u mrežu polusavitljivih polimera poboljšana prisutnošću aktivnih motora.

Difuzija čestica u mreži s aktivnim motorima bila je superdifuzijska, dok je bez aktivnih motora uočena subdifuzija. Moguće objašnjenje dano za ovo pojačano gibanje bio je veći broj sudara između čestice i mreže u prisutnosti aktivnih motora.

Ovaj se rezultat može odnositi na dinamiku čestica u lumenu ER. Fluktuacije u tubulima i listovima mreže mogu potaknuti bržu dinamiku čestica unutar lumena zbog češćih sudara s lumenalnim licem lipidnog dvosloja.

Također je pokazano da se određeni aspekti morfologije i dinamike ER biljke mogu replicirati razmatranjem ER kao minimalne mreže [271-273], gdje su točke povezane pomoću minimalne moguće duljine tubula. Ovaj model točno rekreira aspekte UR morfologije i dinamike. Struktura cjevastih područja mreže je točno rekreirana, kao i dinamika zatvaranja prstena.

Ovaj pristup, međutim, još uvijek nije u mogućnosti povezati brzu dinamiku preuređivanja mreže koja je pronađena korištenjem modela s onom promatranom eksperimentalno [273]. Nedavno je simulirano i gibanje lumenalnih čestica.

Model koji opisuje dinamiku čestica unutar lumena ER-a u potrazi za reakcijskim partnerima zaključio je da su morfološka svojstva mreže najutjecajniji čimbenici u određivanju vremena istraživanja molekula [274].

Buduća poboljšanja slikovnih podataka, kao i modela koji se koriste za predstavljanje ER mreže, rezultirat će poboljšanjima i u zaključcima računalnih modela i u tijeku rada za analizu eksperimentalnih podataka.

Nedavno je nekoliko grupa izdalo softver otvorenog koda dizajniran za izdvajanje dinamičkih varijabli iz video snimaka hitne pomoći u živim stanicama [24,27]. Takve metode za kvantificiranje morfologije i dinamike ER mreže bitne su za unapređenje našeg razumijevanja ove organele.

Analiza promjena u dinamici i morfologiji pod različitim staničnim uvjetima ćebaciti svjetlo na temeljni razlog dinamike ER i kako promijenjena dinamika može dovesti do kliničkih patologija.

4. Morfologija, dinamika i bolest

Nije iznenađujuće da bi organela kao što je ER, sa svojim kritičnim i raznolikim funkcijama, bila uključena u mnoge bolesti. Disregulacija morfologije i distribucije funkcionalnih poddomena ER (kao što je opisano u odjeljku 2.2) stoga vjerojatno utječe na njihovu funkciju i može rezultirati bolesnim stanjima, osobito u neuronima [32].

Poznato je da su mnogi proteini koji reguliraju morfologiju ER mutirani u ljudskim bolestima [227]. Pogrešna komunikacija između ER-a i mitohondrija također je identificirana kao doprinos mnogim bolestima, bilo putem disregulacije prijenosa kalcijevih iona, inzulinske signalizacije ili diobe mitohondrija.

Interakcije između ER i endosoma/lizosoma jednako su vitalne za normalnu staničnu funkciju, s posebnim problemima koji se vide u neuronima kada su proteini uključeni u te interakcije mutirani [195,227].

Osim toga, mnogi organizmi koji dovode do patogenih infekcija oslanjaju se na ER strojeve za svoju replikaciju ili ulazak u stanicu. Najbolje karakterizirani proteini uključeni u obje bolesti i održavanje hitne pomoći sažeti su u tablici 1.

Drugi glavni čimbenik u mnogim bolestima, posebice kardiovaskularnim bolestima, je hitni stres. MCS-ovi su pod utjecajem mnogih drugih vrsta stresa [85,275], pa će se to vjerojatno pokazati kao važan čimbenik u bolesti. Potreban je daljnji rad kako bi se u potpunosti istražila međuigra između morfologije ER-a i ERstresa. Veze između prekomjernog ER stresa, aktivacije UPR-a i pojave bolesti nedavno su pregledane [276-278], ali se ovdje ne obrađuju.

Proteini koji reguliraju morfologiju ER uključeni su u mnoge bolesti, uključujući višestruke neurodegenerativne poremećaje (vidjeti [227] za izvrstan, temeljit pregled). Poznato je da su atlastini, obitelj proteina koji posreduju u spajanju ER tubula s mrežom [4,348], mutirani kod nasljedne spastične paraplegije (HSP) [285] i nasljedne senzorne i autonomne neuropatije (HSAN) [346,347].

REEP-ovi i protrudin, za koje je poznato da stabiliziraju područja visoke zakrivljenosti membrane u ER-u [2,281], također su mutirani u nekim oblicima HSP-a [280,286], što sugerira da abnormalna morfologija ER-a igra ulogu u bolesti. ER-kasni endosomski/lizosomski MCS-ovi često se vide u neuronima [70] i od vitalne su važnosti s obzirom na to da su obično zahvaćeni mutacijama koje uzrokuju bolest (Tablica 1; [227]). Mutacije protrudina mogu utjecati na distribuciju ER-a u aksonima, zbog njegove interakcije s kinezinom-1, i njegove uloge u stvaranju pokretnih MCS-ova kasnog endosoma ER tubula [205].
Ova je funkcija vitalna za učinkovito produljenje neurita [129,195,204,227]. Mutacije u KIF5A mogle bi utjecati na ovaj put. Poremećaj ER-endosomskih interakcija također utječe na endosomsko razvrstavanje i dovodi do lizosomskih defekata (Odjeljci 2.2.6 i 3.1.2), a to je često povezano s bolestima kao što su HSP i ALS (Tablica 1), gdje može biti uzrokovano mutacijama u spastinu , strumpelin, REEP1 [177] i VAPB, kao što je opisano drugdje u ovom posebnom izdanju [291].

Mutacije u proteinima koji reguliraju morfologiju i dinamiku ER također su povezane s amiotrofičnom lateralnom sklerozom (ALS), Alzheimerovom bolešću, Warburgovim mikrosindromom i spinocerebelarnom ataksijom tipa 2.

Retikuloni 3 i 4 su mutirani u Alzheimerovoj bolesti [336] i ALS-u [299]. Retikuloni reguliraju zakrivljenost membrane ER-a [2], a njihova mutacija u ALS-u mijenja distribuciju proteina šaperona unutar ER-a [299] i stoga će vjerojatno negativno utjecati na funkciju ER-a. Nedavno su Mookherjeeet al. otkrili su da agregacija proteina u citoplazmi, uobičajeno obilježje neurodegenerativnih bolesti, utječe i na morfologiju i na dinamiku ER [359].

Utvrđeno je da se retikulon 4 veže na citoplazmatske nakupine, što može biti uzrok uočene abnormalne strukture ER. U stanicama s proteinskim agregatima primijećeno je manje trosmjernih spojeva, sporija lumenalna dinamika i oslabljena učinkovitost fuzije tubula.

Stoga ne samo da proteini koji reguliraju morfologiju igraju ulogu u nastanku bolesti, već mogu utjecati i na stanične procese nakon što bolest uznapreduje.

Warburg Micro sindrom, rijedak poremećaj koji rezultira neurorazvojnim defektima, može biti uzrokovan mutacijama u Rab18 [29]. Rab18 je uključen u nekoliko procesa povezanih s ER-om, uključujući regulaciju ER-lipidnog kapljičnog MCS-a koji uključuje NRZ kompleks i SNAREproteine ​​[343,360] (ali ne u svim uvjetima [8]) i održavanje normalne ERmorfologije [8]. Kao što je opisano u odjeljku 3.1.1, nedavno je pokazano da Rab18 potiče anterogradni transport ER tubula putem svoje interakcije s kinektinom-1 [198] i u skladu s ovim rezultatom, dinamička tubularna područja mreže nisu bila prisutna u stanicama osiromašenim Rab18 [8].

Sličan odnos između proteina koji reguliraju morfologiju, ERdinamike i bolesti opažen je s ataksinom-2 u spinocerebelarnoj ataksiji tipa 2 (SCA2). Poznato je da mutacije u ataksinu-2 uzrokuju SCA2 [350]. Deplecija ataksina -2 povećala je udio ploča u ER mreži, kao i ometanje tubularne i lumenalne dinamike [28]. Jednosmjerna translokacija tubula na velike udaljenosti bila je smanjena, a FRAP eksperimenti su pokazali da je transport lumenalnih komponenti mnogo sporiji u odsutnosti ataksina-2 [28].

Mutacije u Rab18 i ataksinu-2, proteinima za koje je poznato da igraju ulogu u produženju ER tubula, uzrokuju nedostatke u morfologiji tubula kao i dinamici. Uz proteine ​​koji oblikuju membranu i proteine ​​uključene u ER-kasne endosomske/lizosomske MCS-ove, drugi vjerojatni uzrok bolesti je pogrešna komunikacija između ER-a i mitohondrija. ER–mitohondriji MCS su važna mjesta prijenosa iona Ca2+ [275]. Khachaturian je 1994. godine prvi predložio poremećenu homeostazu kalcija kao mogući uzrok neurodegenerativnih bolesti [361].

Od tada su mutacije u mnogim proteinima koji reguliraju ER-mitohondrije MCS upletene u ljudske bolesti. Mutacije su pronađene u šest proteina koji su ili angažirani ili uključeni u formiranje ER-mitohondrijskih MCS-ova u Parkinsonovoj bolesti: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -synuclein [325], PINK1 [327] i LRRK2 [329]. Utvrđeno je da sve te mutacije mijenjaju prijenos iona kalcija između organela, ometaju ER-mitohondrijski MCS ili oboje (vidi tablicu 1). Važno je napomenuti da Miro1 također regrutira kinezin-1 u mitohondrije, a pokazalo se da mutacije KIF5A utječu na pokretljivost mitohondrija [362]. U Alzheimerovoj bolesti, mutacije u presenilinima također remete homeostazu iona kalcija [335].

U ovom slučaju, međutim, rad ryanodin receptora (RyR) i inozitol 1,4,5-trifosfat receptora (IP3R) je taj koji je disreguliran, a ne MCS [333,334,363]. Charcot Marie Tooth (CMT) bolest također je povezana s mutacijama u ER-mitohondrijima koji stvaraju MCS proteine ​​[303,306], iako nije pronađena veza između CMT-a i dinamike kalcija.

Disregulacija membranskih kontaktnih mjesta između ER i mitohondrija također je uključena u druge ne-neurodegenerativne bolesti. Poremećena inzulinska signalizacija, obilježje dijabetesa, opažena je u stanicama s mutacijama u mitofuzinu 2 [308,309] i VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+ prijenosnom kompleksu [310], oba od kojih vežu ER i mitohondrije na MCS.

Dodatno, mnogi proteini na sučelju ER-mitohondrija uključeni su u razne vrste raka (pregled u [345]). Abnormalna mitohondrijska fisija u ER-ER-mitohondrijskom MCS-u zbog mutacija u proteinu 1 povezanom s dinaminom također dovodi do encefalopatije [340]. Osim toga, ER-mitohondrijske MCS povezane su s vijamutacijama ALS u sigma-1 receptoru [300], koji je uključen u homeostazu Ca2+ kod MCS. Ti su MCS poremećeni u mutantnim stanicama [302]. ALS mutacije također su povezane s promijenjenom dinamikom Ca2+ u ER-mitohondrijskom MCS-u. ALS mutirani oblik VAPB dovodi do promijenjenog MCS-a s proteinom vanjske mitohondrijske membrane PTPIP51, uznemirujući unos Ca2+ u tim MCS-ovima [296].

Mnoge druge mutacije ALS-a utječu na ER-mitohondrijske kontakte, poput onih u VAPB-u (vidi recenzije Chena i sur. i Borgesea i sur. u ovom broju [275,291]). Intracelularna homeostaza kalcija također uključuje MCS između ER-a i plazmamembrane. Nakon iscrpljivanja zaliha kalcija u ER-u, izvanstanični Ca2+ se prenosi preko plazma membrane u ER u MCS putem SOCE-a.

ER-rezidentni protein STIM1 i plazma membranski rezidentni protein Orai1 čine kompleks koji olakšava SOCE (vidi odjeljak 2.2.4). Poznato je da mutacije u jednom ili oba ova proteina uzrokuju tubularnu agregatnu miopatiju (TAM) i povezano stanje Stormorkenov sindrom preko disregulacije homeostaze kalcija [311-315]. Budući da vezanje STIM1 na EB proteine ​​stvara TAC, bit će zanimljivo utvrditi učinke koje ove mutacije imaju na proširenje ER tubula temeljeno na TAC-u. Patogene infekcije također su povezane s proteinima povezanim s ER.

Patogeni otimaju ER u stanici domaćinu kako bi pospješili svoju replikaciju (pregled u [364,365]). Za nekoliko ovih patogena, otkriveni su proteini koji se vežu na proteine ​​rezidentne ER kako bi formirali MCS. Ta su mjesta ključna za replikaciju patogena.

Poznati patogeni koji djeluju na ER uključuju Legionella pneumophila [352], Brome mozaik virus (BMV) [356], polioma virus bez ovojnice SV40 [206], enterovirus 71 [357], flaviviruse kao što je Zika virus [358] i Chlamydia trachomatis. Retikulone napada Legionella pneumophila putem vezanja Ceg9 [352], BMV putem virusnog proteina 1a [356] i enterovirusa 71 putem enterovirusnog proteina 2C [357].

Replikacija patogena potiče se vezanjem retikulona u sva tri slučaja [351,356,357]. Legionella pneumophila također stupa u interakciju s atlastinima [352] kako bi pospješila replikaciju [351], kao i članovi obitelji flavivirusa: virus denge, virus Zika i virus zapadnog Nila [358]. Proteini Chlamydia trachomatis vežu se za VAPA, VAPB [353] i CERT [354] kako bi formirali kontaktna mjesta membrane s ER.

Deplecija CERT ili VAPproteina smanjila je bakterijsku replikaciju [354], pokazujući još jednom da su ER-patogenMCS kritični za replikaciju patogena. Zanimljivo, također je otkriveno da ER proteini koji oblikuju membranu potiskuju replikaciju virusa. Utvrđeno je da se retikulon 3 veže na nestrukturni protein 4B (NS4B) virusa hepatitisa C [366]. Samooligomerizacija NS4B olakšava replikaciju virusa [367].

Međutim, kada je retikulon 3 vezan, samooligomerizacija NS4B je spriječena, pa je virusna replikacija potisnuta [366]. SV40 ulazi u citoplazmu prodirući kroz ER membranu pomoću ERAD strojeva [368], najvjerojatnije u proširenom perinuklearnom ERQC (odjeljak 2.2.1), a pretpostavlja se da to uključuje funkciju kinezina-1 putem vezanja na B14, ER-lokalizirani membranski protein koji sadrži DNA-J domenu [206].

Ukratko, mutacije u pojedinačnim proteinima mogu imati katastrofalne učinke na ER morfologiju, dinamiku i MCS, što dovodi do kliničkih patologija. U mnogim slučajevima, morfologija, dinamika i MCS-ovi su usko povezani, s mutacijama koje utječu na jedan od ova tri atributa često uzrokujući posredne učinke za ostale. Nedavna istraživanja mutacija koje uzrokuju bolest počinju razmatrati ER morfologiju i dinamiku kao povezane teme, za razliku od neovisnog promatranja.

Budući rad u ovom području vjerojatno će dati uvid u odnos između morfologije i dinamike, kao iu to kako je ER dinamika uključena u bolesti za koje je poznato da mijenjaju morfologiju.

5. Rasprava

Identificirani su mnogi proteini koji su odgovorni za regulaciju morfologije ER, a veze između morfologije i funkcije sada postaju jasne. Tek smo na početku kvantificirati ER dinamiku i razumjeti kakav učinak dinamika može imati na procese koje izvode organele.

Utvrđeno je da mutacije u proteinima koji reguliraju morfologiju uzrokuju mnoge ljudske bolesti (Tablica 1), au mnogim slučajevima struktura ER-a bila je abnormalna, što ukazuje da su morfologija, dinamika i funkcija ER-a intrinzično povezani. Dinamika ER-a također je očito od vitalne važnosti za uspostavljanje i održavanje organizacije ER-a i njegovih brojnih MCS-ova. Opet, uključeni proteini obično su mutirani u bolesti. Ključni izazov za budućnost je definirati uloge koje igra ta dinamika i razdvojiti doprinos različitih vrsta motiliteta.

Ovo će zahtijevati bržu sliku brzine slike koja se obično koristi, budući da se visoko pokretljivi ER tubuli i potencijalno međusobno djelujući organeli kreću brzinama do 5 µm/s, i ne mogu se pouzdano detektirati pri snimanju slike u jednoj sličici svakih 1,5-5 s, kao što je uobičajeno bilo koristi (npr. [22,38,75,176,219]). Također je važno napomenuti da stanična linija za proučavanje dinamike ER-a, Cos-7 stanica, ima mnogo manje dinamičan ER od ostalih staničnih linija [20].

Pojava mikroskopije super-razlučivosti fiksnih i živih stanica nastavit će pružati mnoštvo novih razumijevanja strukture i dinamike ER. Očekujemo da će s nedavnim objavljivanjem nekoliko metoda za analizu i kvantificiranje dinamike ER biti otkriveno više poveznica između neregulirane dinamike ER i bolesti. Nadajmo se da će ova otkrića rezultirati daljnjim razumijevanjem funkcionalne osnove za kretanje hitne pomoći. Budućnost istraživanja dinamike ER izgleda svijetla!
Doprinosi autora: HTP i VA napisali su rukopis. Svi su autori pročitali i složili se s objavljenom verzijom rukopisa.

Financiranje: HTP je financiralo Vijeće za istraživanje inženjerstva i fizike dr.sc. DTP studentska stipendija, potpora broj EP/N509565/1.

Izjava institucionalnog odbora za reviziju: Nije primjenjivo.

Izjava o informiranom pristanku: Nije primjenjivo.

Izjava o dostupnosti podataka: Nije primjenjivo.

Zahvale: Ovaj pregled pokrio je vrlo složenu temu i želimo se ispričati našim kolegama čiji rad nismo mogli uključiti.
Sukob interesa: Autori izjavljuju da nema sukoba interesa. Financijeri nisu imali nikakvu ulogu u pisanju rukopisa ili u odluci o objavljivanju rezultata.

Reference

1. Valm, AM; Cohen, S.; Legant, WR; Melunis, J.; Hershberg, U.; Čekaj.; Cohen, AR; Davidson, MW; Betzig, E.; Lippincott-Schwartz, J. Primjena spektralne slike i analize na razini sustava za otkrivanje interaktoma organele. Nature 2017, 546, 162–167.[CrossRef] [PubMed]

2. Voeltz, GK; Prinz, WA; Shibata, Y.; Rist, JM; Rapoport, TA Klasa membranskih proteina koji oblikuju tubularni endoplazmikretikulum. Cell 2006, 124, 573–586. [CrossRef]

3. Hu, J.; Shibata, Y.; Voss, C.; Shemesh, T.; Li, Z.; Coughlin, M.; Kozlov, MM; Rapoport, TA; Prinz, WA Membranski proteini endoplazmatskog retikuluma induciraju tubule visoke zakrivljenosti. Znanost 2008, 319, 1247–1250. [CrossRef] [PubMed]

4. Hu, J.; Shibata, Y.; Zhu, PP; Voss, C.; Rismanchi, N.; Prinz, WA; Rapoport, TA; Blackstone, C. Klasa Dynamin sličnih GTPaza uključenih u stvaranje cjevaste ER mreže. Ćelija 2009, 138, 549–561. [CrossRef]

5. Orso, G.; Pendin, D.; Liu, S.; Tosetto, J.; Moss, TJ; Faust, JE; Micaroni, M.; Egorova, A.; Martinuzzi, A.; McNew, JA; et al.Homotipska fuzija ER membrana zahtijeva dinaminu sličnu GTPazu Atlastin. Nature 2009, 460, 978–983. [CrossRef] 

6. Wang, S.; Tukachinsky, H.; Romano, FB; Rapoport, TA Suradnja proteina atlastina, lunaparka i retikulona koji oblikuju ER u stvaranju mreže tubularne membrane. Elife 2016, 5, 1–29. [CrossRef]

7. engleski, AR; Voeltz, GK Rab10 GTPaza regulira dinamiku i morfologiju ER. Nat. Cell Biol. 2013, 15, 169–178.[CrossRef] [PubMed]

8. Gerondopoulos, A.; Bastos, RN; Yoshimura, SI; Anderson, R.; Carpanini, S.; Aligianis, I.; Handley, MT; Barr, FA Rab18 i aRab18 GEF kompleks potrebni su za normalnu strukturu ER. J. Cell Biol. 2014, 205, 707–720. [CrossRef]

9. Chen, S.; Novick, P.; Ferro-Novick, S. Formiranje ER mreže zahtijeva ravnotežu između GTPase Sey1p slične dinaminu i člana obitelji Lunapark Lnp1p. Nat. Cell Biol. 2012, 14, 707–716. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com