Propletené a jemně vyvážené: Morfologie, dynamika, funkce a nemoci endoplazmatického retikula, část 4

3. Dynamika ER

ER není složitá pouze svou organizací, ale také svým pohybem. Pokrok v chápání dynamiky ER byl pomalejší než morfologie ER, protože šípové tubuly a neustálý pohyb a přeskupování sítě činí ER náročným pro zobrazení.

Endoplazmatické retikulum je jedním z důležitých orgánů v buňkách a má mnoho důležitých biologických funkcí, jako je syntéza proteinů, glykosylační reakce, syntéza a rozklad lipidů, transport a skladování iontů atd. Kromě toho výzkumy ukazují, že existuje také úzký vztah mezi endoplazmatickým retikulem a pamětí.

Za prvé, endoplazmatické retikulum hraje velmi důležitou roli při udržování normálních fyziologických funkcí neuronů. Velké množství studií prokázalo, že dysfunkce endoplazmatického retikula může vést k interferenci ve vývoji a zrání neuronů, a tím ovlivnit schopnosti učení a paměti lidí. Zároveň se endoplazmatické retikulum podílí i na synaptické plasticitě neuronů. Prostřednictvím regulace zpětného transportu a uvolňování vápenatých iontů se podílí na tvorbě a udržování synaptické plasticity jako je dlouhodobá potenciace a dlouhodobá deprese.

Za druhé, výzkum ukazuje, že endoplazmatické retikulum má funkci regulace neurotransmise. Endoplazmatické retikulum přímo nebo nepřímo ovlivňuje komunikaci mezi neurony regulací syntézy a transportu neurotransmiterů. Dysfunkce endoplazmatického retikula proto může způsobit vážné nerovnováhy neurotransmiterů, což vede k nepříznivým následkům, jako je ztráta paměti a mentální degenerace.

Konečně, endoplazmatické retikulum může také syntetizovat a uchovávat velké množství lipidů, včetně sfingomyelinu, který je vyžadován neurony. Sfingomyelin je extrémně důležitý pro udržení stability a funkce neuronů. Proto schopnost endoplazmatického retikula regulovat sfingomyelin přímo ovlivňuje kvalitu práce mozku a lidskou paměť.

Abych to shrnul, vztah mezi endoplazmatickým retikulem a pamětí je neoddělitelný. Posílením porozumění a regulace funkce endoplazmatického retikula můžeme lépe chránit a zlepšovat paměť lidí, a tím zlepšovat kvalitu života a učení. Je vidět, že potřebujeme zlepšit paměť a Cistanche deserticola může výrazně zlepšit paměť, protože Cistanche deserticola je tradiční čínský léčivý materiál, který má mnoho jedinečných účinků, jedním z nich je zlepšení paměti. Účinnost Cistanche deserticola pochází z mnoha aktivních složek, které obsahuje, včetně kyseliny tříslové, polysacharidů, flavonoidních glykosidů atd. Tyto složky mohou podporovat zdraví mozku různými cestami.

Klikněte na možnost Znát krátkodobou paměť, jak se zlepšit

Dynamiku ER v savčích buňkách lze rozdělit do tří typů: oscilace zavedených síťových prvků; dynamika částic v lumen nebo membráně ER; a generování nových síťových prvků (viz obrázek 3).

Účel dynamiky ER je stále nejasný, ale převládající teorie je, že oscilace urychlují procesy prováděné v ER tím, že usnadňují pohyb lumenálních a transmembránových částic [25,180,181].

3.1. Cytoskeletální kontrola dynamiky ER

ER neustále přeskupuje svou prostorovou organizaci. Působivá dynamika ER byla pozorována u živých kultivovaných buněk CV1 [182], plicních buněk čolka [23] a růstových kuželů v kultivovaných neuronech [183] ​​dlouho před objevením zeleného fluorescenčního proteinu (GFP) pomocí lipofilního barviva. DiOC6.

Nové tubuly mohou být vytaženy z existující sítě a sloučeny se sousedními tubuly nebo spoji, aby se vytvořila nová spojení a síťové polygony se mohou vytvářet a mizet ([182]; obrázek 4). Tento pohyb poháněný mikrotubuly je popsán v části 3.1.1. Podíl sítě v listech a tubulech se také může dynamicky měnit.

Listy ER se reorganizují do tubulů, když jsou ribozomy odstraněny z jejich povrchu puromycinem [45]. Jak je popsáno níže, inhibice pohybu tubulů na bázi mikrotubulů může zase zvýšit podíl listovitých oblastí. Bylo hlášeno, že vstup do mitózy spouští expanzi listu [37,43,184], ačkoli jiné studie prokázaly zvýšenou mitotickou tubulaci [45], která je řízena REEP 3 a 4 [185].

Taková dynamická reorganizace může organele pomoci rychle odebírat buněčný objem [1] a reagovat na změny v buněčných požadavcích a nutričním stavu (oddíl 3.1.3).

Mikrotubulové motory spojené s ER nejsou jedinými prostředky, kterými ER interaguje s cytoskeletem, a v následujících částech popisujeme, jak lze howtubuly rozšířit o interakce s rostoucími mikrotubuly prostřednictvím komplexů přichycujících hrot (TAC) a spojením s pohyblivými MCS.

Nastíněny jsou také statické interakce ER tubulů s mikrotubuly a role aktinového cytoskeletu.

3.1.1. Mikrotubulové motory pohánějí ER Dynamics

Časné studie využívající DiOC6 odhalily, že ER tubuly na periferii buňky často těsně lícují s mikrotubuly [23,183,186], jak bylo potvrzeno v mnoha následných studiích (např. [21,38,187]).

Ve spojení s mikrotubuly dochází také k přeuspořádání prstenců a větvení tubulů [38]. Depolymerizace mikrotubulů zcela inhibovala ER tubuly a dynamiku sítě ve VERO buňkách [20] zvýšila množství ER v listovitých strukturách a redukovala tubulární síť [20,37,38,186,188].

Zobrazování v živých buňkách s vysokým rozlišením ukázalo, že tyto pláty se skládají ze směsi morfologií, včetně silných plátů, tenčích plátků obsahujících nanootvory a hustých tubulárních sítí [33], což naznačuje, že mikrotubuly nejen kontrolují polohu sítě ER, ale také přispívají k detailní organizace membránových domén ER.

Přímá vizualizace tubulů podobných ER rozprostírajících se podél mikrotubulů pocházela nejprve z in vitro testů s použitím extraktů z buněk CV1 [189] nebo interfázních vajíček Xenopus [190], kde diferenční interferenční kontrastní mikroskopie se zesíleným videem odhalila membránu bez tubulů podél mikrotubulů. Značením protilátek a přítomností polysomů na povrchu membrány se ukázalo, že sítě Xenopus jsou ER [19].

Motilita způsobila vzájemný kontakt tubulů, což vedlo k fúzi tubulů [19,20,189], která byla závislá na atlastinu [184]. Kromě toho, jak hladké, tak drsné ER z jater potkana vytvořily pohyblivé sítě, když byly kombinovány s interfázním cytosolem vajíček Xenopus, což prokázalo mezidruhové zachování motility a membránové fúze [191]. Pokud je však koncentrace membrány in vitro dostatečně vysoká, může se v nepřítomnosti mikrotubulů vytvořit síť ER tubulů [192].

Motoricky řízené klouzání ER tubulů podél mikrotubulů bylo od té doby mnohokrát vizualizováno pomocí fluorescenční mikroskopie (např. [20–22,38]). Protože mikrotubuly jsou ve většině kultivovaných neneuronálních buněk orientovány svými dynamickými „plus“ konci směrem k na periferii buňky, rychlé klouzání ER tubulu směrem ven vyžaduje motor mikrotubulu orientovaný na plus-end. Za tuto motilitu je zodpovědný zakládající člen nadrodiny kinesinů, kinesin{7}} [20,193,194].

Inhibice kinesinu-1 nejen inhibovala pohyb tubulů směrem ven, ale také zvýšila podíl oblastí ER listů na periferii buňky [20]. Vzhledem k tomu, že oblasti podobné listům se mohou skládat buď z nahromaděných jemných trubicových sítí [34] nebo listů obsahujících nanootvory [33], bude zajímavé zjistit, zda tyto vrstvy odpovídají některému typu struktury, nebo zda existuje směs morfologií, jak je vidět dále. léčba nokodazolem [33].

Většina kinesinu-1 v živočišných buňkách je istetramerní, obsahuje dvě identické motorické (KIF5) podjednotky a dvě identické KLC [195]. Obratlovci exprimují tři geny KIF5: KIF5B je exprimován všudypřítomně, zatímco KIF5A a C jsou neuronově obohacené. Ke KIF5A se vrátíme později, protože mutace způsobují neurodegenerativní onemocnění (tabulka 1) [195]. Existují čtyři geny KLC, přičemž KLC 1, 2 a 4 jsou široce exprimovány.

KLC1 ​​existuje v několika střídavě spojených formách, přičemž KLC1B je vyžadován pro motilitu ER [20 193]. Důležitou nevyřešenou otázkou je identita kinesin{4}} receptoru v ER. Bylo navrženo několik kandidátů, ale všechny existují výhrady z nich. V neuronových a neneuronálních buňkách a v různých tkáních mohou být různé receptory. Kinectin byl identifikován pomocí monoklonální protilátky blokující funkci [196] a váže se na C-konec KIF5 [197].

Kinectin se podílí na regulaci dynamiky fokaladeze během chemotaxe podporou cílení ER na fokální adheze na náběžné hraně buňky [198,199].

Je zajímavé, že pro tento proces je vyžadován Rab18 a tvoří ternární komplex s kinectinem a kinesinem-1 [198]. Kinectin knock-out myši však neměly žádný fenotyp s normální distribucí ER (a jiných organel) v KO MEF [200].

Kromě toho se v kultivovaných neuronech ER rozprostírá podél všech axonů, ale kinectin je pozorován pouze v těle buňky [194], v souladu s jeho navrhovanou úlohou při udržování rozestupu ERsheet [13].

Nicméně deplece siRNA kinectinu snížila dynamiku ER sítě v Cos-7 buňkách [26]. Je zajímavé, že Rab10 se také podílí na regulaci tvorby ERtubulů [7] a bylo hlášeno, že tvoří komplex s JIP1, neuronálně exprimovaným kinesinovým adaptérem, a KLC1, který podporuje transport sekrečních vezikul během polarizace neuronů a růstu axonů [201].

Zda je tento komplex zapojen do extenze ERtubulu v neuronech a zda je komplex Rab18-kinektin-KIF5B potřebný pro extenzi ER tubulů v nemigrujících buňkách, jsou otevřenou otázkou. Dalším kandidátem na ER kinesin-1 receptor je p180 , který sdílí homologii s vazebnou doménou kinectin'skinesin-1 [202] a který byl stejně jako kinectin lokalizován do oblastí centrální vrstvy v neneuronálních buňkách [13,16,194].

 V kultivovaných neuronech se však p180 lokalizoval nejen do vrstev v těle buňky, ale také do tubulů v axonech, nikoli však do dendritů [194], což je alokace v souladu s vazbou KIF5. Pravděpodobně však působí spíše jako kotva mezi ER a mikrotubuly než jako kinesin-1 receptor (viz část 3.1.3). Existují dva další kandidátní receptory kinesinu.

Protrudin (genové jméno ZFYVE27) je ER-rezidentní kinesin vázající protein s klíčovou úlohou, kterou má hrát při generování pohyblivé motility lateendosomu – ER MCS, jak je popsáno v části 3.1.2. Je však exprimován ve velmi nízkých hladinách (nedetekován v proteomu HeLa buňky [203]), a zatímco jeho deplece se siRNA vede k pozdnímu shlukování endozomů v centru buňky [204, 205], není jasné, jaký to má vliv na distribuci ER.

Konečně bylo prokázáno, že transmembránový DNA-J-doménový protein B14 lokalizovaný v ER interaguje s KIF5B a vytváří místo pro uvolnění viru SV40 z ER [206], ale jeho zapojení do normální dynamiky ER je třeba ještě otestovat.

Vzhledem k tomu, že ER se rozprostírá vně od jaderného obalu směrem k buněčné periferii, neočekávaným zjištěním bylo, že ER tubuly se pohybovaly směrem k minusendům mikrotubulů v interfázových extraktech vajíček Xenopus, řízený dyneinem [19,184,190,207,208].

To odpovídá požadavku, aby dynein v jaderném obalu řídil pronukleární migraci, kterou lze v těchto extraktech rekonstituovat [209]. Motilita ER řízená výhradně dyneinem však pokračovala i v extraktech vyrobených z embryí po pátém buněčném dělení: pohyb ER závislý na kinesinu byl pozorován pouze při použití cytosolu z buněčné linie pulce [187].

Nedávná práce poskytla uspokojivé vysvětlení tohoto jevu [210]: perinukleární zásoba ER, která se hromadí v důsledku aktivity dyneinu, je potřebná k sestavení velkých jader pozorovaných u raných embryí (v této studii embrya mořského ježka a Xenopus).

Kromě toho exprese dalšího retikulonu 4b snížila velikost jader, pravděpodobně snížením tvorby oblastí ER listů [210]. Extrakty vajíček Xenopus také odhalily změny v dynamice ER závislé na buněčném cyklu, přičemž dyneinem řízený pohyb byl inhibován v metafázově zastavených extraktech [184,190,207], zatímco byla aktivována myozinem V řízená ERmotilita na aktinových vláknech [211].

Nahromadily se ER listy [184], jak bylo hlášeno v mitotických HeLa buňkách [37], ačkoli jiné studie tomu odporují [45,185]. Dynein není jen důležitým motorem ER v embryonálních buňkách. Přibližně polovina rychlých pohybů tubulů ER v buňkách VERO probíhala směrem k buněčnému centru a byla řízena dyneinem [20].

Kromě toho inhibice dyneinu vedla k hluboké akumulaci ERsheets na periferii buňky, aniž by to ovlivnilo pohyb řízený kinesinem směrem ven [20]. Podobně jak dynein, tak kinesin-1 řídí motilitu ER tubulů v axonech [194] a dendrity [212,213] kultivovaných hipokampálních neuronů hlodavců. Receptor pro dyneinon ER nebyl dosud identifikován v žádném systému, na rozdíl od ERES (oddíl 2.2.2).

Posledním příkladem pohybu řízeného motorem mikrotubulů zahrnujícího ER je jaderná migrace a polohování. Stejně jako výše zmíněná pronukleární migrace, kinesin a dynein koordinují umístění jádra v mnoha různých situacích, například během migrace jádra neuronů během vývoje mozku [214] a nukleárního pohybu v mnoha fázích vývoje C. elegans [215].

Dynein v jaderné obálce je důležitý pro separaci centrosomů v pozdní G2/profázi a usnadňuje fragmentaci jaderné obálky (přehled v [216]). Kinesin-1 se také podílí na centrosomu a umístění jádra v nepolarizovaných buňkách, kde je rekrutován do jaderného obalu pomocí RanBP2 a BICD2 [217].

Je zajímavé, že nesprin 4 je specificky exprimován ve vnějším jaderném obalu v polarizovaném epitelu, kde rekrutuje kinesin-1, který pak přemístí jádro do základny buňky [218].

For more information:1950477648nn@gmail.com