Savstarpēji un smalki līdzsvaroti: endoplazmatiskā retikulāta morfoloģija, dinamika, funkcija un slimības, 1. daļa

Abstract:

Endoplazmatiskais retikulums (ER) ir organelle, kas ir atbildīga par daudziem būtiskiem subcelulāriem procesiem. Savstarpēji savienoti šauri kanāliņi perifērijā un biezāki loksnēm līdzīgi reģioni perinukleārajā reģionā ir saistīti ar kodola apvalku.

Endoplazmatiskais tīkls ir svarīga šūnu organelle. Tas galvenokārt ir iesaistīts šūnu sintēzē, apstrādē, sekrēcijā un citos procesos. Lai gan šķiet, ka endoplazmatiskais tīkls un atmiņa nav tieši saistīti, dažos aspektos tie patiešām ir cieši saistīti.

Pirmkārt, endoplazmatiskais tīkls ir iesaistīts smadzeņu šūnu sintēzē un darbībā. Tāpēc endoplazmatiskajam tīklam ir neaizstājama loma smadzeņu šūnu normālā attīstībā un darbībā. Smadzeņu šūnu attīstība un darbība ir cieši saistīta ar cilvēka atmiņu, kas nozīmē, ka pastāv arī saikne starp endoplazmas tīklu un atmiņu.

Otrkārt, smadzenēs endoplazmatiskais tīkls ir saistīts ar sinaptisko plastiskumu. Atmiņas veidošanās un uzturēšana ir cieši saistīta ar sinaptisko plastiskumu. Endoplazmatiskais tīkls ir iesaistīts arī daudzu neirotransmiteru veidošanā un izdalīšanā proteīnu sintēzes, apstrādes un sekrēcijas laikā šūnās. Šie neirotransmiteri ir saistīti ar sinaptisko plastiskumu. Tāpēc endoplazmatiskais tīkls var ietekmēt arī atmiņu.

Turklāt endoplazmatiskais tīklojums piedalās arī smadzeņu šūnu vielmaiņas procesā un uztur normālu šūnu vielmaiņas līmeni. Endoplazmatiskā retikuluma novirzes var ietekmēt smadzeņu šūnu fizioloģiskās funkcijas, kas var ietekmēt arī uzlabotas kognitīvās funkcijas, piemēram, atmiņu. Tāpēc endoplazmatiskā retikuluma normālas funkcijas uzturēšanai ir svarīga loma smadzeņu veselības un kognitīvās funkcijas uzturēšanā un uzlabošanā.

Rezumējot, patiešām pastāv saikne starp endoplazmatisko tīklu un atmiņu, un šī saikne nav negatīva. Tāpēc ikdienas dzīvē, lai saglabātu smadzeņu veselību un uzlabotu atmiņu, mums vajadzētu pievērst uzmanību normālai endoplazmatiskā tīkla darbībai un vielmaiņas līmenim, lai mēs varētu labāk uzturēt savu veselību un kognitīvās funkcijas. Var redzēt, ka mums ir jāuzlabo atmiņa, un Cistanche deserticola var ievērojami uzlabot atmiņu, jo Cistanche deserticola ir tradicionāls ķīniešu ārstniecības materiāls, kam ir daudz unikālu efektu, no kuriem viens ir atmiņas uzlabošana. Cistanche deserticola iedarbīgumu nodrošina vairākas tajā esošās aktīvās sastāvdaļas, tostarp miecskābe, polisaharīdi, flavonoīdu glikozīdi utt. Šīs sastāvdaļas var veicināt smadzeņu veselību, izmantojot dažādus ceļus.

Noklikšķiniet uz zināt 10 veidus, kā uzlabot atmiņu

Kļūst skaidrs, ka ER sarežģītā morfoloģija un dinamika ir saistīta ar tās funkciju. Mutācijas olbaltumvielās, kas regulē ER struktūru un kustību, ir saistītas ar daudzām slimībām, tostarp neirodeģeneratīvām slimībām, piemēram, Alcheimera slimību, Parkinsona slimību un amiotrofisko laterālo sklerozi (ALS).

ER arī nolaupa patogēni, lai veicinātu to replikāciju. Baktērijas, piemēram, Legionella pneumophila un Chlamydia trachomatis, kā arī Zika vīruss, saistās ar ER morfoloģiju un dinamiku regulējošiem proteīniem, lai izmantotu ER funkcijas savā labā.

Šis pārskats aptver mūsu izpratni par ER morfoloģiju, tostarp funkcionālajiem apakšdomēniem un membrānas kontakta vietām, kuras veido organelli. Mēs arī koncentrējamies uz ER dinamiku un pašreizējiem centieniem kvantitatīvi noteikt ER kustību un apspriest ar ER morfoloģiju un dinamiku saistītās slimības.
Atslēgvārdi:

endoplazmatiskais tīkls (ER); morfoloģija; dinamika; anomāla difūzija; membrānas saskares vieta (MCS); dyneīns; kinezīns; mikrotubula.

1. Ievads

Endoplazmatiskais retikulums (ER) ir subcelulārs organelles, kas atbild par dažādām būtiskām šūnu funkcijām. ER olbaltumvielas tiek sintezētas un pakļautas pēctranslācijas modifikācijām, kalcija joni tiek uzglabāti un atbrīvoti, kā to nosaka šūnu signāli, un lipīdi notiek biosintēzē.

ER ir lielākā organelle šūnā un stiepjas kā nepārtraukta ar membrānu saistīta vienība no kodola apvalka līdz šūnas perifērijai sarežģītā kanāliņu un lokšņu apgabalu tīklā. Ātra dinamika un pārkārtošanās, kā arī fakts, ka ER veido ~ 35% no citoplazmas tilpuma, nozīmē, ka ER pēta citoplazmas tilpumu ātrāk nekā jebkura cita organella [1].

Pagaidām maz ir zināms par ER dinamikas funkciju vai dinamikas ietekmi ar ER saistīto slimību gadījumā. ER sarežģīto struktūru uztur dažādi proteīni, tostarp retikuloni, REEP un atlastīni [2–4]. Šīs morfoloģiju regulējošās olbaltumvielas veicina membrānas izliekumu [2, 3], virza kanāliņu saplūšanu [4–8], stabilizē savienojumus [9–11], regulē lokšņu atstarpi [12–14] un piesaista ER mikrotubuliem [15–17].

Sadarbība starp šiem proteīniem ir būtiska normālai morfoloģijai, un dažu veidu pārmērīga ekspresija izraisa neparastas lokšņu un kanāliņu proporcijas tīklā [6, 9, 18]. Mikrotubulu motora proteīni kinezīns-1 un citoplazmas dinīns (šeit saukts par dyneīnu) arī saistās ar endoplazmas tīklu, lai veicinātu jaunu kanāliņu veidošanos un nepārtraukti un dinamiski pārveidotu tīklu (piemēram, [19, 20]).

Mijiedarbība starp ER un citām organellām membrānas saskares vietās (MCS) arī veicina organellu dinamiku (3.1.2. sadaļa). ER dinamika ir jauna pētniecības tēma.

Vēsturiski ir izmērīti kanāliņu pagarinājuma ātrumi [20–23], taču citu ER dinamikas aspektu kvantitatīva noteikšana ir bijusi sarežģīta mikroskopijas un aprēķinu ierobežojumu dēļ. Nesen tika publicēta programmatūra, kas izstrādāta, lai analizētu ER kustību dzīvās šūnās [24–27], un drīzumā šajā jomā ir iespējama turpmāka attīstība.

Lai gan saikne starp ER dinamiku un funkciju vēl nav izprotama, patoloģiska ER dinamika nesen ir saistīta ar vairākām slimībām [8, 28, 29], kas norāda, ka dinamika, visticamāk, ir ļoti svarīga. Turpretim ar slimībām saistītās mutācijas inmorfoloģiju regulējošās olbaltumvielas ir diezgan labāk izprotamas, un ir izveidotas saiknes starp morfoloģiju un funkciju [30, 31].

Šajā pārskatā tiks detalizēti aprakstīta pašreizējā izpratne par ER morfoloģiju, dinamiku un funkciju un to mijiedarbību, kā arī slimībām, kas saistītas ar anomāliju inmorfoloģiju un dinamiku, galvenokārt koncentrējoties uz ER mugurkaulnieku šūnās. 2. sadaļā tiks aprakstīta ER morfoloģija, olbaltumvielas, kas iesaistītas normālas ER struktūras uzturēšanā, un noskaidrotās saiknes starp morfoloģiju un funkciju.

3. sadaļā tiks aprakstīta ER dinamika, faktori, kas izraisa organellu kustību, pašreizējie centieni kvantitatīvi noteikt dinamiku un jaunākie notikumi skaitļošanas analīzē un modelēšanā.

Visbeidzot, 4. sadaļā tiks detalizēti aprakstītas zināmās saiknes starp ER struktūru/kustību un slimībām, kā arī šajās slimībās iesaistītajiem proteīniem. Diskusija par ER apakšdomēnu organizāciju īpaši neironu šūnās ir sniegta citā šī īpašā izdevuma rakstā [32].

2. Morfoloģija

Lipīdu divslānis ierobežo ER lūmenu. Šis divslānis veidojas loksnēs un kanāliņos ar aptuveni 80–100 nm diametru [25, 33, 34] ar diapazonu ~ 50–100 nm [33], kas ir savienoti krustojumos, veidojot retikulāru tīklu.

Caurules vidēji ir aptuveni 1 µm garas un savienojas krustojumos, parasti savienojot 3 kanāliņus [27,35]. Loksnes ir plakanas, ar divslāņu atstarpi 30–50 nm [33], un tās bieži sastopamas sakrautā konfigurācijā ar spirālveida rampām, kas savieno slāņus [36].

Loksnes blīvums parasti ir lielāks tuvāk šūnas centram (piemēram, [33,37,38]), kur endoplazmatiskais tīkls ietver arī kodola apvalku; tomēr loksnēm līdzīgi reģioni sastopami arī perifērā ER.

Superizšķirtspējas gaismas mikroskopija atklāja, ka dažas perifērās struktūras, kuras sākotnēji tika uzskatītas par loksnēm, sastāv no blīvām kanāliņu matricām [33, 34, 38], bet citas sastāv no loksnēm, kas pārklātas ar sīkiem caurumiem (nanocaurumi: [33]).

ER membrānas veidošanā iesaistīto proteīnu pētījumi ir plaši un nesen tika pārskatīti [30, 31, 39]. ER kompleksā morfoloģija nesen ir saistīta ar tās funkciju (apskatīta [40]), un to var mainīt, reaģējot uz mainītām vielmaiņas prasībām vai šūnu cikla posmiem, kā aprakstīts vēlāk.

2.1. Morfoloģiju regulējošie proteīni

ER morfoloģijas regulēšanā ir iesaistīti daudzi proteīni. Šīs olbaltumvielas stabilizē augsta membrānas izliekuma reģionus, veicina membrānu saplūšanu, uztur trīsceļu savienojumus, regulē loksnes biezumu un līdzenumu un noenkuro ER mikrotubulās (1. attēls).

ER, kanāliņi un loksnes malas ir reģioni ar augstu membrānas izliekumu. Matadata veida REEP un retikulona proteīnu saimes veicina ER virsmas izliekumu līdz stabilizatoriem un lokšņu malām [2, 3].

Retikulons 4 uzkrājas arī nanocaurumu malās, kuru Rtn4 nokautajās šūnās nav [33]. Tiek uzskatīts, ka šīs olbaltumvielas atrodas ar platāko “matadatas” galu membrānas ārējā malā, lai veicinātu izliekumu, izmantojot hidrofobu, kā parādīts 1.C attēlā. Membrānas saplūšana ir arī būtiska, lai saglabātu pareizu ER morfoloģiju. ER tīkla uzturēšanai un membrānu saplūšanai ir nepieciešams Atlantīns, ER rezidents GTPāze [4–6].

Jauni kanāliņi, kas tiek izvilkti no esošās membrānas struktūras, ir jāsaplūst ar tīklu, lai saglabātu normālu ER morfoloģiju. Bian et al. ierosināja, ka atlastīns atrodas abu savienojošo malu membrānā un ka starp abām olbaltumvielām veidojas dimērs [41] (sk. 1. F attēlu). Šī dimerizācija izraisītu konformācijas izmaiņas, kurās proteīni un līdz ar to arī ER membrāna tiktu pievilkti tuvāk kopā, galu galā izraisot membrānas saplūšanu.

ER kanāliņu saplūšanā ir iesaistītas arī divas RabGTPāzes, Rab10 [7] un Rab18 [8]. Jebkura no šīm olbaltumvielām izsīkšana izraisīja lokšņu palielināšanos un kanāliņu samazināšanos.

Rab10 lokalizējas arī ER kanāliņu augšanas galos, kas ir bagātināti ar diviem lipīdu sintēzes enzīmiem: fosfoinozitolsintēzi (PIS) un CEPT1 [7]. Interesanti, ka ir pierādīts, ka ar dinamīnu saistītais proteīns 1 (Drp1), proteīns, kas nepieciešams mitohondriju dalīšanai, veicina ER kanāliņu veidošanos neatkarīgi no Rtn4 [42].

ER tīkla trīsvirzienu savienojumus zīdītāju šūnās stabilizē zīdītājs Lnp1, Lunapark ģimenes loceklis [9–11]. mLnp1 lokalizējas trīsceļu krustojumos Cos-7 šūnās, un savienojumi, kuriem trūkst mLnp1, bija daudz dinamiskāki un īsāki nekā to mLnp{8}}bagātinātie kolēģi [10].

No Lunaparka brīvie krustojumi bieži pazuda, noslēdzoties gredzenam, kur krustojumi slīd gar blakus esošo kanāliņu, līdz tie saplūst ar citu krustojumu, turpretim gredzena slēgšana bija retāk sastopama Lnp1 krustojumos [10].

Tāpēc Lunapark stabilizē trīsvirzienu savienojumus tīklā. Šo proteīnu sadarbībai ir izšķiroša nozīme ER morfoloģijas regulēšanā. Lai saglabātu normālu ER morfoloģiju, bija nepieciešams līdzsvars starp retikulonu 4a un atlastīna ekspresiju [6]. Gari, nesazaroti kanāliņi tika novēroti šūnās ar nelielu atlastīna funkciju un šūnās, kas pārmērīgi ekspresē retikulonu 4a.

Gan atlastīna, gan retikulona 4a ekspresija Lunapark knockout šūnās atjaunoja normālu tīkla morfoloģiju šūnu perifērijā. Raugā tipiska daudzstūra tīkla veidošanai ir nepieciešams līdzsvars starp Lunapark Lnp1p un atlastīna homologu Sey1p [9]. Lunapark un atlastin arī koordinē, lai veidotu un uzturētu trīsceļu savienojumus zīdītāju šūnās, un Lunapark nespēj lokalizēt savienojumus, kad atlastīni tiek izdzēsti [18].

Izmantojot atšķirīgu, bet papildinošu pieeju, Shemesh et al. modelēja ER tīklu, koncentrējoties uz divām morfoloģiju regulējošo proteīnu klasēm [43], un Lunapark tika ierosināts kā negatīvu izliekumu izraisošs proteīns un retikuloni, kas uzlabo taisnās malas. Mainot Lunapark inCos-7 šūnu ekspresijas līmeni, radās dažādas ER morfoloģijas, un dažādas tīkla īpašības, piemēram, kopējais garums un vēlamā savienojumu forma, tika atkārtotas, simulācijās mainot proteīnu koncentrāciju.

ERmorfoloģiju regulējošo proteīnu relatīvajām koncentrācijām ir liela nozīme normālai ER struktūrai. CLIMP-63, integrāls membrānas proteīns, ir ierosināts kā mehānisms, lai kontrolētu lūmena atdalīšanu starp divām ER lokšņu membrānām [12– 14]. Kā parādīts 1.A attēlā, tā lielais spoles domēns atrodas ER lūmenā, un tiek pieņemts, ka tas saistās ar citu CLIMP-63 proteīnu spirālveida domēniem, lai regulētu loksnes biezumu [12]. Pārmērīga CLIMP{10}} ekspresija izraisa nanocaurumu saturošu lokšņu veidošanos [33].

Otrs faktors, kas ietekmē loksnes biezumu, var būt ribosomu grupas, ko sauc arī par poliribosomām, kas saistītas ar ER citozola virsmu [44] (sk. 1.G attēlu). Ribosomu noņemšana no ER virsmas pārveidotajām lokšņu caurulītēm, apstiprinot hipotēzi, ka poliribosomas stabilizē ER loksnes [45]. p180 un kinektīnam, diviem proteīniem, kas pēc uzbūves ir līdzīgi kā CLIMP-63, var būt nozīme lokšņu virsmas uzpūšanā [13], lai gan ir maz pārliecinošu pierādījumu, kas apstiprina šo ideju. Abi proteīni ir potenciāli receptori mikrotubulu motorkinezīnam-1 (sk. 3.1.1. sadaļu).

Mikrotubulām un aktīna citoskeletam ir liela nozīme ERpozīcijas un morfoloģijas regulēšanā, izmantojot gan dinamiskas, gan statiskas saites (1.D, E attēls), kā aprakstīts 3. nodaļā. Kopā olbaltumvielas, kas iesaistītas citoskeleta saistīšanā un kustībā, membrānas izliekuma stabilizācijā, kanāliņu saplūšanā, krustojuma apkope un loksnes biezuma regulēšana ir būtiska normālas ER struktūras uzturēšanai.

For more information:1950477648nn@gmail.com