Prepleteno in fino uravnoteženo: Morfologija endoplazmatskega retikuluma, dinamika, delovanje in bolezni 4. del

3. ER Dynamics

Urgenca ni samo zapletena v svoji organizaciji, ampak tudi v svojem gibanju. Napredek pri razumevanju dinamike ER je bil počasnejši od morfologije ER, saj zaradi ozkih tubulov ter nenehnega gibanja in preureditve mreže slikanje ER predstavlja izziv.

Endoplazmatski retikulum je eden od pomembnih organov v celicah in ima številne pomembne biološke funkcije, kot so sinteza beljakovin, reakcija glikozilacije, sinteza in razgradnja lipidov, transport in shranjevanje ionov itd. Poleg tega raziskave kažejo, da obstaja tudi tesna povezava med endoplazmatskim retikulumom in spominom.

Prvič, endoplazmatski retikulum ima zelo pomembno vlogo pri vzdrževanju normalnih fizioloških funkcij nevronov. Veliko število študij je pokazalo, da lahko disfunkcija endoplazmatskega retikuluma povzroči motnje v razvoju in zorenju nevronov, s čimer vpliva na učne in spominske sposobnosti ljudi. Hkrati je endoplazmatski retikulum vključen tudi v sinaptično plastičnost nevronov. Z regulacijo povratnega transporta in sproščanja kalcijevih ionov sodeluje pri nastajanju in vzdrževanju sinaptične plastičnosti, kot sta dolgoročna potenciacija in dolgotrajna depresija.

Drugič, raziskave kažejo, da ima endoplazmatski retikulum funkcijo uravnavanja nevrotransmisije. Endoplazmatski retikulum neposredno ali posredno vpliva na komunikacijo med nevroni z uravnavanjem sinteze in transporta nevrotransmiterjev. Zato lahko disfunkcija endoplazmatskega retikuluma povzroči resna neravnovesja nevrotransmiterjev, kar povzroči škodljive posledice, kot sta izguba spomina in duševna degeneracija.

Končno lahko tudi endoplazmatski retikulum sintetizira in shrani velike količine lipidov, vključno s sfingomielinom, ki ga potrebujejo nevroni. Sfingomielin je izjemno pomemben za ohranjanje stabilnosti in delovanja nevronov. Zato sposobnost endoplazmatskega retikuluma za uravnavanje sfingomielina neposredno vpliva na kakovost delovanja možganov in spomin ljudi.

Če povzamemo, odnos med endoplazmatskim retikulumom in spominom je neločljiv. S krepitvijo razumevanja in regulacije delovanja endoplazmatskega retikuluma lahko bolje zaščitimo in izboljšamo spomin ljudi ter s tem izboljšamo kakovost življenja in učenja. 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 Spoznaj kratkoročni spomin, kako izboljšati

Dinamiko ER v celicah sesalcev lahko razvrstimo v tri vrste: nihanje vzpostavljenih mrežnih elementov; dinamika delcev znotraj lumna ali membrane ER; in ustvarjanje novih omrežnih elementov (glej sliko 3).

Namen dinamike ER je še vedno nejasen, vendar prevladujoča teorija pravi, da oscilacije pospešujejo procese, ki se izvajajo v ER, tako da olajšajo gibanje lumenalnih in transmembranskih delcev [25,180,181].

3.1. Cytoskeletal Control of ER Dynamics

Urgenca nenehno preureja svojo prostorsko organizacijo. Impresivno dinamiko ER so opazili v živih gojenih celicah CV1 [182], pljučnih celicah mladičev [23] in rastnih stožcih v gojenih nevronih [183] ​​dolgo pred odkritjem zelenega fluorescentnega proteina (GFP) z uporabo lipofilnega barvila. DiOC6.

Nove tubule je mogoče izvleči iz obstoječega omrežja in jih spojiti s sosednjimi tubuli ali stičišči, da se ustvarijo nove povezave, mrežni poligoni pa se lahko oblikujejo in izginejo ([182]; slika 4). To gibanje, ki ga poganja motor mikrotubulov, je opisano v razdelku 3.1.1. Delež mreže v listih in tubulih se lahko tudi dinamično spreminja.

Listi ER se reorganizirajo v tubule, ko ribosome odstranimo z njihove površine s puromicinom [45]. Kot je opisano spodaj, lahko zaviranje gibanja tubulov na osnovi mikrotubulov posledično poveča delež listnatih regij. Poročali so, da vstop v mitozo sproži širjenje listov [37,43,184], čeprav so druge študije pokazale okrepljeno mitotično tubulacijo [45], ki jo poganjata REEP 3 in 4 [185].

Takšna dinamična reorganizacija lahko pomaga organelu, da hitro vzorči celični volumen [1] in se odzove na spremembe celičnih potreb in prehranskega stanja (razdelek 3.1.3).

Mikrotubulni motorji, povezani z ER, niso edino sredstvo, s katerim ER sodeluje s citoskeletom, in v naslednjih razdelkih opisujemo, kako je mogoče tubule razširiti tudi z interakcijami z rastočimi mikrotubuli prek kompleksov za pritrditev konic (TAC) in s povezavo z gibljivimi MCS.

Opisane so tudi statične interakcije tubulov ER z mikrotubuli in vloga, ki jo ima aktinski citoskelet.

3.1.1. Mikrotubulni motorji poganjajo dinamiko ER

Zgodnje študije z uporabo DiOC6 so pokazale, da so ER tubuli na celični periferiji pogosto tesno povezani z mikrotubuli [23,183,186], kar je bilo potrjeno v številnih poznejših študijah (npr. [21,38,187]).

Preureditev obroča in razvejanje tubulov se pojavi tudi v povezavi z mikrotubuli [38]. Depolimerizacija mikrotubulov je popolnoma zavirala dinamiko tubulov ER in mreže v celicah VERO [20] povečala količino ER v listnatih strukturah in zmanjšala tubulno mrežo [20,37,38,186,188].

Slikanje v živih celicah z visoko ločljivostjo je pokazalo, da so ti listi sestavljeni iz mešanice morfologij, vključno z debelimi listi, tanjšimi listi, ki vsebujejo nanoluknje, in gostimi cevastimi mrežami [33], kar nakazuje, da mikrotubuli ne nadzorujejo le položaja mreže ER, ampak tudi prispevajo k podrobna organizacija membranskih domen ER.

Neposredna vizualizacija ER-podobnih tubulov, ki se raztezajo vzdolž mikrotubulov, je bila najprej izvedena s testi in vitro z uporabo izvlečkov iz celic CV1 [189] ali interfaznih jajčec Xenopus [190], kjer je video-izboljšana diferencialna interferenčna kontrastna mikroskopija razkrila drsenje membrane brez tubulov vzdolž mikrotubulov. Pokazalo se je, da so mreže Xenopus ER z označevanjem protiteles in prisotnostjo polisomov na površini membrane [19].

Motilnost je povzročila stik tubulov med seboj, kar je povzročilo fuzijo tubulov [19,20,189], ki je bila odvisna od atlastina [184]. Poleg tega sta tako gladek kot hrapav ER iz jeter podgan tvorila gibljiva omrežja v kombinaciji z interfaznim citosolom jajčeca Xenopus, kar kaže na medvrstno ohranitev gibljivosti in zlitja membran [191]. Vendar, če je koncentracija membrane in vitro dovolj visoka, lahko mreža tubulov ER nastane v odsotnosti mikrotubulov [192].

Motorno poganjano drsenje tubulov ER vzdolž mikrotubulov je bilo od takrat večkrat vizualizirano s fluorescenčno mikroskopijo (npr. [20–22,38]). Ker so mikrotubuli v večini gojenih ne-nevronskih celic usmerjeni s svojimi dinamičnimi 'plus' konci proti celično periferijo, hitro drsenje tubula ER navzven zahteva motor mikrotubula, usmerjen na konec aplus. Ustanovni član naddružine kinezinov, kinezin-1, je odgovoren za to gibljivost [20,193,194].

Inhibicija kinezina-1 ni le zavrla gibanja tubulov navzven, ampak je tudi povečala delež regij ER listov na celični periferiji [20]. Glede na to, da so lahko ploščate regije sestavljene iz nakopičenih finih cevastih mrež [34] ali listov, ki vsebujejo nanoluknje [33], bo zanimivo videti, ali ti listi ustrezajo kateri koli vrsti strukture ali pa obstaja mešanica morfologij, kot je razvidno po zdravljenje z nokodazolom [33].

Večina kinezina -1 v živalskih celicah je istetramerna, sestavljena iz dveh enakih motoričnih (KIF5) podenot in dveh enakih KLC [195]. Vretenčarji izražajo tri gene KIF5: KIF5B se izraža povsod, medtem ko sta KIF5A in C nevronsko obogatena. K KIF5A se bomo vrnili pozneje, saj mutacije povzročajo nevrodegenerativne bolezni (tabela 1) [195]. Obstajajo štirje geni KLC, pri čemer so KLC 1, 2 in 4 široko izraženi.

KLC1 ​​obstaja v več izmenično spojenih oblikah, pri čemer je KLC1B potreben za gibljivost ER [20,193]. Pomembno odprto vprašanje je identiteta receptorja kinezina -1 v ER. Predlaganih je bilo več kandidatov, vendar obstajajo pri vseh opozorila izmed njih. V nevronskih in ne-nevronskih celicah ter v različnih tkivih so lahko različni receptorji. Kinektin je bil identificiran z uporabo monoklonskega protitelesa, ki blokira delovanje [196] in se veže na C-konec KIF5 [197].

Kinektin je bil vpleten v regulacijo dinamike žariščne adhezije med kemotaksijo s spodbujanjem ciljanja ER na žariščne adhezije na vodilnem robu celice [198,199].

Zanimivo je, da je Rab18 potreben za ta proces in tvori ternarni kompleks s kinektinom in kinezinom-1 [198]. Vendar miši z izločitvijo kinektina niso imele fenotipa z normalno porazdelitvijo ER (in drugih organelov) v KO MEF [200].

Poleg tega se v gojenih nevronih ER razteza vzdolž aksonov, kinektin pa opazimo le v telesu celice [194], v skladu s svojo predlagano vlogo pri ohranjanju razmika med ploščami ER [13].

Kljub temu je izčrpavanje siRNA kinektina zmanjšalo mrežno dinamiko ER v celicah Cos-7 [26]. Zanimivo je, da je Rab10 vpleten tudi v uravnavanje tvorbe ERtubulov [7] in naj bi tvoril kompleks z JIP1, kinezinskim adapterjem, izraženim v nevronih, in KLC1, da bi pospešil transport sekretornih veziklov med polarizacijo nevronov in rastjo aksonov [201].

Odprta vprašanja, ali je ta kompleks vključen v razširitev tubulov ER v nevronih in ali je kompleks Rab18-kinektin-KIF5B potreben za razširitev tubulov ER v celicah, ki se ne selijo. Drug kandidat za receptor kinezina-1 ER je p180 , ki je homološka z vezavno domeno kinektin'skinesin-1 [202] in ki je bila, tako kot kinektin, prav tako lokalizirana v regijah osrednjega lista v ne-nevronskih celicah [13,16,194].

 V gojenih nevronih pa je p180 lokaliziran ne samo na lističe v telesu celice, ampak tudi na tubule v aksonih, ne pa tudi na dendrite [194], alokalizacija je skladna z vezavo KIF5. Vendar pa bo verjetno deloval kot sidro med ER in mikrotubuli in ne kot receptor za kinezin-1 (glejte razdelek 3.1.3). Obstajata še dva kandidata za receptorje za kinezin.

Protrudin (ime gena ZFYVE27) je ER-rezidenčni kinezin vezavni protein s ključno vlogo pri ustvarjanju gibljive gibljivosti lateendosoma–ER MCS, kot je opisano v razdelku 3.1.2. Vendar se izraža na zelo nizkih ravneh (nezaznano v proteomu celic HeLa [203]) in čeprav njegovo izčrpavanje s siRNA vodi do poznega združevanja endosomov v celičnem središču [204,205], ni jasno, kakšen učinek ima to na distribucijo ER.

Končno se je pokazalo, da ER-lokaliziran transmembranski DNA-J-domenski protein B14 medsebojno deluje s KIF5B, da ustvari mesto za sproščanje virusa SV40 iz ER [206], vendar je treba njegovo vpletenost v normalno dinamiko ER še preizkusiti.

Glede na to, da se ER razteza navzven od jedrske ovojnice proti celični periferiji, je bila nepričakovana ugotovitev, da so se tubuli ER premaknili proti mikrotubulnim minusendom v interfaznih izvlečkih jajc Xenopus, ki jih poganja dinein [19,184,190,207,208].

To se ujema z zahtevo po dineinu v jedrski ovojnici za spodbujanje pronuklearne migracije, ki jo je mogoče rekonstituirati v teh izvlečkih [209]. Vendar pa se je gibljivost ER, ki jo poganja izključno dinein, nadaljevala celo v izvlečkih, narejenih iz zarodkov po peti celični delitvi: gibanje ER, odvisno od kinezina, je bilo opaženo le, ko je bil uporabljen citosol iz celične linije paglavca [187].

Nedavno delo je zagotovilo zadovoljivo razlago za ta pojav [210]: perinuklearni bazen ER, ki se kopiči zaradi aktivnosti dineina, je potreben za sestavljanje velikih jeder, ki jih vidimo v zgodnjih zarodkih (zarodki morskega ježka in Xenopus v tej študiji).

Poleg tega je ekspresija dodatnega retikulona 4b zmanjšala velikost jeder, verjetno z zmanjšanjem tvorbe regij ER listov [210]. Izvlečki jajčec Xenopus so razkrili tudi od celičnega cikla odvisne spremembe v dinamiki ER, pri čemer je bilo gibanje, ki ga poganja dinein, zavirano v izvlečkih, zaustavljenih v metafazi [184,190,207], medtem ko je bila aktivirana gibljivost ER, ki jo poganja miozin V, na aktinskih filamentih [211].

Listi ER so se kopičili [184], kot so poročali v mitotičnih celicah HeLa [37], čeprav druge študije temu nasprotujejo [45,185]. Dynein ni le pomemben motor ER v embrionalnih celicah. Približno polovica premikov rapidER tubulov v celicah VERO se je zgodila proti celičnemu središču in jih je poganjal dinein [20].

Poleg tega je zaviranje dineina povzročilo močno kopičenje ERsheets na celični periferiji, ne da bi vplivalo na gibanje, ki ga poganja kinezin [20]. Podobno tako dinein kot kinezin-1 poganjata gibljivost tubulov ER v aksonih [194] in dendriti [212,213] kultiviranih hipokampalnih nevronov glodalcev. Receptor za dineinon ER še ni bil identificiran v nobenem sistemu, za razliko od ERES (oddelek 2.2.2).

Zadnji primer gibanja, ki ga poganja mikrotubulni motor, ki vključuje ER, je podana z jedrsko migracijo in pozicioniranjem. Poleg zgoraj omenjene pro-jedrske migracije kinezin in dinein usklajujeta položaj jedra v številnih različnih situacijah, na primer med nevronsko jedrsko migracijo med razvojem možganov [214] in jedrsko gibanje na mnogih stopnjah razvoja C. elegans [215].

Dynein na jedrski ovojnici je pomemben za ločevanje centrosomov v pozni G2/profazi in olajša fragmentacijo jedrske ovojnice (pregledano v [216]). Kinezin-1 sodeluje tudi pri pozicioniranju centrosoma in jedra v nepolariziranih celicah, kjer ga RanBP2 in BICD2 rekrutirata v jedrsko ovojnico [217].

Zanimivo je, da se nesprin 4 specifično izraža na zunanji jedrni ovojnici v polariziranem epiteliju, kjer rekrutira kinezin-1, ki nato premesti jedro na dno celice [218].

For more information:1950477648nn@gmail.com