Prepleteno in fino uravnoteženo: Morfologija endoplazmatskega retikuluma, dinamika, delovanje in bolezni 1. del

Povzetek:

Endoplazmatski retikulum (ER) je organel, ki je odgovoren za številne bistvene podcelične procese. Medsebojno povezani ozki tubuli na obrobju in debelejši listi podobni predeli v perinuklearnem območju so povezani z jedrno ovojnico.

Endoplazmatski retikulum je pomemben organel v celicah. Vključen je predvsem v celično sintezo, predelavo, izločanje in druge procese. Čeprav se zdi, da endoplazmatski retikulum in spomin nista neposredno povezana, sta v nekaterih vidikih res tesno povezana.

Prvič, endoplazmatski retikulum je vključen v sintezo in delovanje možganskih celic. Zato ima endoplazmatski retikulum nepogrešljivo vlogo pri normalnem razvoju in delovanju možganskih celic. Razvoj in delovanje možganskih celic sta tesno povezana s človeškim spominom, kar pomeni, da obstaja tudi povezava med endoplazmatskim retikulumom in spominom.

Drugič, v možganih je endoplazmatski retikulum povezan s sinaptično plastičnostjo. Oblikovanje in vzdrževanje spomina sta tesno povezana s sinaptično plastičnostjo. Endoplazmatski retikulum sodeluje tudi pri nastajanju in sproščanju številnih nevrotransmiterjev med sintezo, predelavo in izločanjem beljakovin v celicah. Ti nevrotransmiterji so povezani s sinaptično plastičnostjo. Zato lahko endoplazmatski retikulum vpliva tudi na spomin.

Poleg tega endoplazmatski retikulum sodeluje tudi pri presnovnem procesu možganskih celic in vzdržuje normalne presnovne ravni celic. Nenormalnosti v endoplazmatskem retikulumu lahko vplivajo na fiziološke funkcije možganskih celic, kar lahko vpliva tudi na napredne kognitivne funkcije, kot je spomin. Zato ima vzdrževanje normalne funkcije endoplazmatskega retikuluma pomembno vlogo pri ohranjanju in izboljšanju zdravja možganov in kognitivnih funkcij.

Če povzamemo, res obstaja povezava med endoplazmatskim retikulumom in spominom in ta povezava ni negativna. Zato moramo v vsakdanjem življenju za ohranjanje zdravja možganov in izboljšanje spomina paziti na normalno delovanje in presnovno raven endoplazmatskega retikuluma, da bomo lahko bolje vzdrževali lastno zdravje in kognitivne funkcije. Vidimo, da moramo izboljšati spomin, in Cistanche deserticola lahko bistveno izboljša spomin, saj je Cistanche deserticola tradicionalno kitajsko zdravilno sredstvo, ki ima številne edinstvene učinke, eden od njih je izboljšanje spomina. Učinkovitost Cistanche deserticola izhaja iz številnih aktivnih sestavin, ki jih vsebuje, vključno s taninsko kislino, polisaharidi, flavonoidnimi glikozidi itd. Te sestavine lahko spodbujajo zdravje možganov na različne načine.

Kliknite spoznajte 10 načinov za izboljšanje spomina

Postaja očitno, da sta kompleksna morfologija in dinamika ER povezani z njegovo funkcijo. Mutacije v proteinih, ki sodelujejo pri uravnavanju strukture in gibanja ER, so vpletene v številne bolezni, vključno z nevrodegenerativnimi boleznimi, kot so Alzheimerjeva bolezen, Parkinsonova bolezen in amiotrofična lateralna skleroza (ALS).

Patogeni ugrabijo tudi ER, da pospešijo njihovo razmnoževanje. Bakterije, kot sta Legionella pneumophila in Chlamydia trachomatis, kot tudi virus Zika, se vežejo na morfologijo ER in proteine, ki uravnavajo dinamiko, da izkoristijo funkcije ER v svojo korist.

Ta pregled zajema naše razumevanje morfologije ER, vključno s funkcionalnimi poddomenami in membranskimi kontaktnimi mesti, ki jih tvorijo organele. Osredotočamo se tudi na dinamiko ER in trenutna prizadevanja za kvantificiranje gibanja ER ter razpravljamo o boleznih, povezanih z morfologijo in dinamiko ER.
Ključne besede:

endoplazmatski retikulum (ER); morfologija; dinamika; nepravilna difuzija; mesto stika z membrano (MCS); dinein; kinezin; mikrotubul.

1. Uvod

Endoplazmatski retikulum (ER) je podcelični organel, ki je odgovoren za različne bistvene celične funkcije. V ER se proteini sintetizirajo in so podvrženi posttranslacijski modifikaciji, kalcijevi ioni se shranjujejo in sproščajo, kot narekuje celično signaliziranje, lipidi pa so biosinteza.

ER je največja organela v celici in se razteza kot neprekinjena entiteta, vezana na membrano, od jedrske ovojnice do periferije celice v kompleksni mreži tubulov in listnatih regij. Hitra dinamika in reorganizacija, skupaj z dejstvom, da ER obsega ~35 % volumna citoplazme, pomeni, da ER raziskuje prostornino citoplazme hitreje kot katera koli druga organela [1].

O delovanju dinamike ER ali učinkih dinamike pri boleznih, povezanih z ER, se še malo razume. Kompleksno strukturo ER vzdržujejo različni proteini, vključno z retikuloni, REEP-ji in atlastini [2–4]. Ti proteini, ki uravnavajo morfologijo, spodbujajo ukrivljenost membrane [2,3], poganjajo fuzijo tubulov [4–8], stabilizirajo stičišča [9–11], uravnavajo razmik med ploščami [12–14] in vežejo ER na mikrotubule [15–17].

Sodelovanje med temi proteini je bistvenega pomena za normalno morfologijo, pri čemer čezmerna ekspresija določenih vrst vodi do nenormalnih deležev listov in tubulov v mreži [6,9,18]. Proteina mikrotubulomotorja kinezin-1 in citoplazmatski dinein (v tem dokumentu imenovana dinein) se prav tako vežeta na endoplazmatski retikulum, da poganjata tvorbo novih tubulov in nenehno in dinamično preoblikujeta mrežo (npr. [19,20]).

Interakcije med ER in drugimi organeli na kontaktnih mestih membrane (MCS) prav tako prispevajo k dinamiki organele (razdelek 3.1.2). Dinamika ER je nastajajoča tema raziskav.

V preteklosti so bile izmerjene hitrosti razširitve tubulov [20–23], vendar je bila kvantifikacija drugih vidikov dinamike ER zahtevna zaradi omejitev v mikroskopiji in računanju. Pred kratkim je bila objavljena programska oprema, zasnovana za analizo gibanja ER v živih celicah [24–27], nadaljnji razvoj na tem področju pa bo verjetno v kratkem.

Čeprav razmerje med dinamiko ER in funkcijo še ni razumljeno, so nenormalno dinamiko ER nedavno povezali z več boleznimi [8, 28, 29], kar kaže, da je dinamika verjetno zelo pomembna. Nasprotno pa so z boleznijo povezane mutacije v beljakovinah, ki uravnavajo morfologijo, precej bolje razumljene in povezave med morfologijo in funkcijo so bile vzpostavljene [30,31].

Ta pregled bo podrobno predstavil trenutno razumevanje morfologije, dinamike in funkcije ER ter medsebojnega vplivanja med njimi, pa tudi bolezni, povezanih z nenormalnostmi v morfologiji in dinamiki, pri čemer se bo osredotočil predvsem na ER v celicah vretenčarjev. V 2. delu bo opisana morfologija ER, proteini, ki sodelujejo pri vzdrževanju normalne strukture ER, in pojasnjene povezave med morfologijo in funkcijo.

V razdelku 3 bo opisana dinamika ER, dejavniki, ki povzročajo gibanje organelov, trenutna prizadevanja za kvantificiranje dinamike in nedavni razvoj računalniške analize in modeliranja.

Na koncu bodo v razdelku 4 podrobno opisane znane povezave med strukturo/gibanjem ER in boleznimi ter beljakovinami, ki so vključene v te bolezni. Razprava o organizaciji poddomene ER posebej v nevronskih celicah je predstavljena v drugem članku te posebne številke [32].

2. Morfologija

Lipidni dvosloj omejuje lumen ER. Ta dvosloj je oblikovan v liste in tubule s premerom približno 80–100 nm [25,33,34] z razponom ~50–100 nm [33], ki so povezani na stičiščih in tvorijo retikularno mrežo.

Tubuli so v povprečju dolgi okoli 1 µm in se povezujejo na križiščih, običajno združujejo 3 tubule [27, 35]. Listi so ravni, z dvoslojno ločitvijo 30–50 nm [33] in se pogosto pojavljajo v zloženi konfiguraciji s spiralnimi rampami, ki povezujejo plasti [36].

Gostota plošč je običajno večja bližje središču celice (npr. [33,37,38]), kjer endoplazmatski retikulum vključuje tudi jedrno ovojnico; vendar se v perifernem ER pojavljajo tudi ploščate regije.

Svetlobna mikroskopija z visoko ločljivostjo je razkrila, da so nekatere periferne strukture, za katere so prvotno mislili, da so plošče, sestavljene iz gostih matrik tubulov [33,34,38], druge pa vsebujejo plošče, ki so prekrite z majhnimi luknjami (nanoluknje: [33]).

Raziskave beljakovin, ki sodelujejo pri oblikovanju membrane ER, so obsežne in nedavno pregledane [30,31,39]. Kompleksno morfologijo ER so nedavno povezali z njegovo funkcijo (pregledano v [40]) in jo je mogoče spremeniti kot odgovor na spremenjene presnovne zahteve ali stopnje celičnega cikla, kot je opisano kasneje.

2.1. Proteini, ki uravnavajo morfologijo

Množica beljakovin sodeluje pri uravnavanju morfologije ER. Ti proteini stabilizirajo območja z visoko ukrivljenostjo membrane, spodbujajo fuzijo membrane, vzdržujejo trismerne spoje, uravnavajo debelino in ravnost pločevine ter zasidrajo ER na mikrotubule (slika 1).

ER, tubuli in robovi listov so regije z visoko ukrivljenostjo membrane. Družini proteinov REEP in retikulon, podobni lasnicam, spodbujata ukrivljenost površine ER za stabilizacijo tubulov in robov listov [2,3].

Retikulon 4 se kopiči tudi na robovih nanolukenj, ki jih v izločenih celicah Rtn4 ni [33]. Ti proteini naj bi sedeli s širšim koncem 'lasnice' na zunanjem robu membrane, da spodbujajo ukrivljenost prek hidrofobnega zagozditve, kot je prikazano na sliki 1C. Membranska fuzija je bistvena tudi za vzdrževanje pravilne morfologije ER. Atlastin, GTPaza, ki prebiva v ER, je potrebna za vzdrževanje omrežja ER in fuzijo membran [4–6].

Nove tubule, ki se izvlečejo iz obstoječe membranske strukture, je treba spojiti z mrežo, da se ohrani normalna morfologija ER. Bian et al. predlagal, da je atlastin rezidenčen v membrani obeh povezovalnih robov in da se med obema proteinoma tvori dimer [41] (glej sliko 1F). Ta dimerizacija bi povzročila konformacijsko spremembo, pri kateri bi se proteini in s tem membrana ER potegnili bližje skupaj, kar bi sčasoma povzročilo fuzijo membrane.

Dve RabGTPazi, Rab10 [7] in Rab18 [8] sta bili prav tako vpleteni v fuzijo tubulov ER. Izčrpanje katerega koli od teh proteinov je povzročilo povečanje listov in zmanjšanje tubulov.

Rab10 se lokalizira tudi na rastnih konicah tubulov ER, ki so obogateni z dvema encimoma za sintezo lipidov: fosfoinozitolsintazo (PIS) in CEPT1 [7]. Zanimivo je, da se je pokazalo, da z dinaminom soroden protein 1 (Drp1), protein, potreben za mitohondrijsko fisijo, spodbuja nastajanje tubulov ER neodvisno od Rtn4 [42].

Trismerna stičišča omrežja ER v celicah sesalcev stabilizira Lnp1 sesalcev, član družine Lunapark [9–11]. mLnp1 se lokalizira na trosmernih stičiščih v celicah Cos-7 in stičišča brez mLnp1 so bila veliko bolj dinamična in krajša življenjska doba kot njihovi primerki, obogateni z mLnp1- [10].

Stičišča brez lunaparka so pogosto izginila z zaprtjem obroča, v katerem stičišča drsijo vzdolž sosednjega tubula, dokler se ne združijo z drugim stičiščem, medtem ko je bilo zaprtje obroča manj pogosto za stičišča Lnp1 [10].

Zato Lunapark stabilizira trismerna stičišča v omrežju. Sodelovanje teh proteinov je ključnega pomena pri regulaciji morfologije ER. Za ohranitev normalne morfologije ER je bilo potrebno ravnovesje med izražanjem retikulona 4a in atlastina [6]. Dolge, nerazvejane tubule so opazili v celicah z malo delovanja atlastina in v celicah s prekomerno ekspresijo retikulona 4a.

Ekspresija atlastina in retikulona 4a v izločenih celicah Lunapark je obnovila normalno morfologijo omrežja na periferiji celice. Pri kvasovkah je za tipično poligonalno tvorbo mreže potrebno ravnovesje med Lunapark Lnp1p in atlastinovim homologom Sey1p [9]. Lunapark in atlastin se prav tako usklajujeta, da tvorita in vzdržujeta trismerna stičišča v celicah sesalcev, pri čemer Lunapark ne more lokalizirati stičišč, ko so atlastini izbrisani [18].

Z uporabo drugačnega, vendar komplementarnega pristopa, Shemesh et al. je modelirala mrežo ER, pri čemer se je osredotočila na dva razreda proteinov, ki uravnavajo morfologijo [43], pri čemer naj bi bil Lunapark protein, ki povzroča negativno ukrivljenost, in retikuloni, ki krepijo ravne robove. Spreminjanje ravni izražanja celic Lunapark v celicah Cos-7 je povzročilo različne morfologije ER in različne mrežne lastnosti, kot sta skupna dolžina in prednostna oblika stičišč, so bile ponovljene s spreminjanjem koncentracij beljakovin v simulacijah.

Relativne koncentracije proteinov, ki uravnavajo morfologijo ER, so zelo pomembne za normalno strukturo ER. CLIMP-63, integralni membranski protein, je bil predlagan kot mehanizem za nadzor lumenalne ločitve med obema membranama listov ER [12– 14]. Kot je prikazano na sliki 1A, se njegova velika zvita domena nahaja v lumnu ER in domnevajo, da se veže na zvite domene drugih proteinov CLIMP-63 za uravnavanje debeline plošč [12]. Prekomerna ekspresija CLIMP-63 inducira nastanek listov, ki vsebujejo nanoluknje [33].

Drugi dejavnik, ki vpliva na debelino plošče, so morda skupine ribosomov, imenovane tudi poliribosomi, vezane na citosolno stran ER [44] (glej sliko 1G). Odstranjevanje ribosomov s površine ER je spremenilo liste v tubule, kar podpira hipotezo, da poliribosomi stabilizirajo liste ER [45]. p180 in kinektin, dva proteina, ki sta po konformaciji podobna CLIMP-63, lahko igrata vlogo pri napihovanju površine listov [13], čeprav je malo prepričljivih dokazov, ki podpirajo to idejo. Oba proteina sta potencialna receptorja za mikrotubulni motorični kinezin-1 (glejte razdelek 3.1.1).

Mikrotubuli in aktinski citoskelet igrajo pomembno vlogo pri uravnavanju položaja in morfologije ER, tako prek dinamičnih kot statičnih povezav (slika 1D, E), kot je razloženo v razdelku 3. Skupaj proteini, vključeni v vezavo in gibljivost citoskeleta, stabilizacijo ukrivljenosti membrane, fuzijo tubulov, vzdrževanje stičišč in regulacija debeline pločevine sta bistvena za vzdrževanje normalne strukture ER.

For more information:1950477648nn@gmail.com