Sammenvevd og finbalansert: endoplasmatisk retikulummorfologi, dynamikk, funksjon og sykdommer del 7

3.4. Beregningsanalyse av ER Dynamics

Å analysere dynamikken til ER in vivo er utfordrende på grunn av dens komplekse morfologi og raske dynamikk, så vel som fototoksisiteten til fluorescensmikroskopi-eksperimenter. Matematisk modellering av nettverket er en mulighet til å få ytterligere innsikt i dette komplekse systemet fra et annet synspunkt.

Komplekse former har en tendens til å imponere og til og med vekke stor interesse. Hvorvidt disse grafikkene, tekstene eller andre formene er enkle å huske er imidlertid et spørsmål verdt å undersøke.

Generelt sett krever komplekse former mer minne å huske. For eksempel krever en kompleks matematisk formel, et komplekst mønster eller et komplekst passord at vi bruker mer tid og krefter på å huske. Dette betyr imidlertid ikke at komplekse former må være vanskelige å huske.

Tvert imot, hvis vi aktivt møter komplekse former og tar i bruk den riktige minnemetoden, kan vi enkelt huske dem. For eksempel, når vi ønsker å memorere en kompleks formel, kan vi bruke "steg-for-steg-minne"-metoden, det vil si først dekomponere formelen i mindre enheter, memorere hver enhet, og til slutt spleise disse enhetene sammen.

I tillegg kan vi bruke ulike hukommelsesteknikker for å hjelpe oss å huske komplekse former. For eksempel styrker hukommelsen å bygge assosiasjoner for å koble formen med ting vi allerede er kjent med. Eller vi kan bruke bildeminne for å konvertere figurene til bilder, noe som gjør det lettere å huske.

Kort sagt, komplekse former betyr ikke at de er vanskelige å huske. Så lenge vi møter dem på riktig måte og opprettholder en positiv holdning, kan vi lett huske dem. Gjennom slike anstrengelser kan vi ikke bare huske komplekse former bedre, men også forbedre hukommelsen og bli bedre versjoner av oss selv. Det kan sees at vi trenger å forbedre hukommelsen, og Cistanche deserticola kan forbedre hukommelsen betydelig fordi Cistanche deserticola er et tradisjonelt kinesisk medisinsk materiale som har mange unike effekter, hvorav en er å forbedre hukommelsen. Effekten av Cistanche deserticola kommer fra de mange aktive ingrediensene den inneholder, inkludert garvesyre, polysakkarider, flavonoidglykosider, etc. Disse ingrediensene kan fremme hjernens helse gjennom en rekke forskjellige veier.

Klikk vet 10 måter å forbedre hukommelsen

ER-tubuli kan betraktes som semifleksible polymerer, med koblinger representert av tverrbindinger. Nylig har mange grupper modellert dynamikken til slike tverrbundne nettverk av semi-fleksible polymerer [263–266], inkludert de som er påvirket av aktive krefter som molekylære motorer [267–270]. Slike modeller kan gi innsikt i ER-nettverksdynamikk ved å forenkle systemet og kun vurdere interaksjoner med mikrotubuli.

En fersk studie som modellerer bevegelsen til en partikkel omgitt av et nettverk av semi-fleksible polymerer kan gi innsikt i den funksjonelle årsaken til aktive omorganiseringer av ER. Gong et al. [270] fant at diffusjonen av en partikkel innebygd i et nettverk av semi-fleksible polymerer ble forsterket av tilstedeværelsen av aktive motorer.

Diffusjon av partikler i et nettverk med aktive motorer var superdiffusiv, mens det ble observert sub-diffusjon uten aktive motorer. En mulig forklaring gitt for denne forbedrede bevegelsen var det større antallet kollisjoner mellom partikkelen og nettverket i nærvær av aktive motorer.

Dette resultatet kan relateres til dynamikken til partikler i lumen til ER. Svingninger i rørene og arkene i nettverket kan indusere raskere dynamikk av partiklene i lumenet på grunn av hyppigere kollisjoner med den lumenale overflaten til lipid-dobbeltlaget.

Det har også blitt vist at visse aspekter av plante-ER-morfologi og -dynamikk kan replikeres ved å betrakte ER som et minimalt nettverk [271–273], der punkter er koblet sammen ved å bruke minst mulig lengde på tubuli. Denne modellen gjenskaper nøyaktig aspekter av ER-morfologi og dynamikk. Strukturen til rørformede områder av nettverket er nøyaktig gjenskapt, og det samme er dynamikken til ringlukking.

Denne tilnærmingen er imidlertid ennå ikke i stand til å relatere den raske omorganiseringsdynamikken til nettverket funnet ved bruk av modellen til de som er observert eksperimentelt [273]. Bevegelsen til lumenale partikler har også nylig blitt simulert.

En modell som beskriver dynamikken til partikler i lumen til ER som søker etter reaksjonspartnere, konkluderte med at de morfologiske egenskapene til nettverket er de mest innflytelsesrike faktorene som bestemmer utforskningstidene til molekyler [274].

Fremtidige forbedringer i bildedata, så vel som i modellene som brukes til å representere ER-nettverket, vil resultere i forbedringer i både konklusjonene til beregningsmodeller og arbeidsflyter for å analysere eksperimentelle data.

Nylig har flere grupper gitt ut åpen kildekode-programvare designet for å trekke ut dynamiske variabler fra videoer av ER i levende celler [24,27]. Slike metoder for å kvantifisere morfologien og dynamikken til ER-nettverket er avgjørende for å fremme vår forståelse av denne organellen.

Å analysere endringene i dynamikk og morfologi under ulike cellulære forhold vilbelyse den underliggende årsaken til ER-dynamikk og hvordan endret dynamikk kan føre til kliniske patologier.

4. Morfologi, dynamikk og sykdom

Det er ikke overraskende at en organell som ER, med sine kritiske og mangfoldige funksjoner, ville være involvert i mange sykdommer. Dysregulering av morfologien og distribusjonen av de funksjonelle subdomenene til ER (som beskrevet i avsnitt 2.2) vil derfor sannsynligvis påvirke funksjonen deres og kan føre til sykdomstilstander, spesielt i nevroner [32].

Mange ER-morfologiregulerende proteiner er kjent for å være mutert i humane sykdommer [227]. Feilkommunikasjon mellom ER og mitokondrier har også blitt identifisert som en bidragsyter til mange sykdommer, enten via dysregulering av kalsiumionoverføring, insulinsignalering eller mitokondriell deling.

Interaksjoner mellom ER og endosomer/lysosomer er like viktige for normal cellulær funksjon, med spesielle problemer som sees i nevroner når proteiner involvert i disse interaksjonene muteres [195,227].

I tillegg er mange organismer som gir opphav til patogene infeksjoner avhengige av ER-maskineri for deres replikering eller inntreden i cellen. De best karakteriserte proteinene involvert i både sykdommer og vedlikehold av ER er oppsummert i tabell 1.

En annen viktig faktor i mange sykdommer, spesielt kardiovaskulære sykdommer, er ER-stress. MCS-er påvirkes av mange andre typer stress [85 275], og dette vil sannsynligvis vise seg å være en viktig faktor i sykdommen. Ytterligere arbeid er nødvendig for å fullt ut utforske samspillet mellom ER-morfologi og ERstress. Koblinger mellom overdreven ER-stress, UPR-aktivering og utbruddet av sykdommer ble nylig gjennomgått [276–278], men behandles ikke her.

ER morfologi-regulerende proteiner er involvert i mange sykdommer, inkludert flere nevrodegenerative lidelser (se [227] for en utmerket, grundig gjennomgang). Atlastiner, en familie av proteiner som medierer fusjonen av ER-tubuli til nettverket [4,348], er kjent for å være mutert i arvelig spastisk paraplegi (HSP) [285] og arvelig sensorisk og autonom nevropati (HSAN) [346,347].

REEPs og protrudin, som er kjent for å stabilisere områder med høy membrankrumning i ER [2 281], er også mutert i noen former for HSP [280 286], noe som tyder på at unormal ER-morfologi spiller en rolle i sykdommen. ER-sent endosom/lysosom MCS sees ofte i nevroner [70] og er svært viktige gitt at de ofte påvirkes av sykdomsfremkallende mutasjoner (tabell 1; [227]). Protrudin-mutasjoner kan påvirke ER-distribusjon i aksoner, på grunn av dens interaksjoner med kinesin-1, og dens rolle i å generere bevegelige ER-tubulus-sendosom-MCSer [205].
Denne funksjonen er avgjørende for effektiv neurittforlengelse [129,195,204,227]. Mutasjoner i KIF5A kan tenkes å påvirke denne veien. Forstyrrelsen av ER-endosomale interaksjoner påvirker også endosomal sortering og fører til lysosomale defekter (avsnitt 2.2.6 og 3.1.2), og dette er ofte knyttet til sykdommer som HSP og ALS (tabell 1), hvor det kan være forårsaket av mutasjoner i spastin , strumpelin, REEP1 [177] og VAPB, som beskrevet andre steder i dette spesialnummeret [291].

Mutasjoner i proteiner som regulerer ER-morfologi og dynamikk har også vært assosiert med amyotrofisk lateral sklerose (ALS), Alzheimers sykdom, Warburg Microsyndrom og spinocerebellar ataksi type 2.

Retikuloner 3 og 4 er mutert i henholdsvis Alzheimers sykdom [336] og ALS [299]. Retikuloner regulerer ER-membrankurvatur [2] og deres mutasjon i ALS endrer fordelingen av chaperoneproteiner i ER [299] og vil derfor sannsynligvis påvirke ER-funksjonen negativt. Nylig har Mookherjeeet al. oppdaget at proteinaggregering i cytoplasma, et vanlig kjennetegn ved nevrodegenerative sykdommer, påvirker både ER-morfologi og dynamikk [359].

Reticulon 4 ble funnet å binde seg til de cytoplasmatiske aggregatene, noe som kan være årsaken til den observerte unormale ER-strukturen. Færre treveiskryss, langsommere lumenal dynamikk og svekket tubulusfusjonseffektivitet ble observert i celler med proteinaggregater.

Derfor spiller ikke bare morfologiregulerende proteiner en rolle i utbruddet av sykdommen, men de kan også påvirke cellulære prosesser når sykdommen har utviklet seg.

Warburg Micro syndrom, en sjelden lidelse som resulterer i nevroutviklingsdefekter, kan være forårsaket av mutasjoner i Rab18 [29]. Rab18 er involvert i flere ER-relaterte prosesser, inkludert regulering av ER-lipiddråper MCS som involverer NRZ-komplekset og SNAREproteiner [343 360] (men ikke under alle forhold [8]) og opprettholdelse av normal ERmorfologi [8]. Som beskrevet i avsnitt 3.1.1, har Rab18 også nylig vist seg å fremme anterograd ER-tubulitransport via dets interaksjon med kinektin-1 [198], og i strid med dette resultatet var de dynamiske rørformede områdene i nettverket fraværende i celler som var utarmet av Rab18 [8].

Et lignende forhold mellom morfologiregulerende proteiner, ER-dynamikk og sykdom er observert med ataksin-2 i spinocerebellar ataksi type 2 (SCA2). Mutasjoner i ataksin-2 er kjent for å forårsake SCA2 [350]. Uttømming av ataksin-2 økte andelen av ark i ER-nettverket i tillegg til å hindre både tubulær og lumenal dynamikk [28]. Enveis langdistansetranslokasjon av tubuli ble redusert, og FRAP-eksperimenter viste at transporten av lumenale komponenter var mye langsommere i fravær av ataksin -2 [28].

Mutasjoner i Rab18 og ataksin-2, proteiner som er kjent for å spille en rolle i å forlenge ER-tubuli, forårsaker begge defekter i tubulær morfologi så vel som dynamikk. Ved siden av membranformende proteiner og proteiner involvert i ER-sent endosom/lysosom MCS, er en annen sannsynlig årsak til sykdommer er feilkommunikasjonen mellom ER og mitokondrier. ER–mitokondrier MCS er viktige steder for Ca2+-ioneoverføring [275]. Nedsatt kalsiumhomeostase ble først foreslått som en mulig årsak til nevrodegenerative sykdommer av Khachaturian i 1994 [361].

Siden den gang har mutasjoner i mange proteiner som regulerer ER-mitokondrier MCS vært involvert i menneskelige sykdommer. Mutasjoner er funnet i seks proteiner som enten er rekruttert til, eller involvert i å danne ER-mitokondrielle MCS-er ved Parkinsons sykdom: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -synuclein [325],PINK1 [327] og LRRK2 [329]. Disse mutasjonene ble alle funnet å endre kalsiumionoverføring mellom organellene, forstyrre ER-mitokondriell MCS eller begge deler (se tabell 1). Det er viktig å merke seg at Miro1 også rekrutterer kinesin-1 til mitokondrier, og KIF5A-mutasjoner har vist seg å påvirke mitokondriell motilitet [362]. Ved Alzheimers sykdom forstyrrer mutasjoner i preseniliner også kalsiumionhomeostase [335].

I dette tilfellet er det imidlertid driften av ryanodinreseptorer (RyR) og inositol 1,4,5-trifosfatreseptorer (IP3R) som er dysregulert, snarere enn MCS-ene [333,334,363]. Charcot Marie Tooth (CMT) sykdom har også vært knyttet til mutasjoner i ER-mitokondrier MCS-dannende proteiner [303,306], selv om ingen sammenheng er funnet mellom CMT og kalsiumdynamikk.

Dysreguleringen av membrankontaktsteder mellom ER og mitokondrier har også vært involvert i andre ikke-nevrodegenerative sykdommer. Nedsatt insulinsignalering, et kjennetegn på diabetes, er observert i celler med mutasjoner i mitofusin 2 [308,309] og VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+ overføringskomplekset [310], begge hvorav binder ER og mitokondrier ved MCS.

I tillegg har mange proteiner ved ER-mitokondrier-grensesnittet blitt implisert i forskjellige kreftformer (gjennomgått i [345]). Unormal mitokondriell fisjon ved ER-ER-mitokondriell MCS på grunn av mutasjoner i dynaminrelatert protein 1 fører også til toencefalopati [340]. I tillegg har ER-mitokondrielle MCS-er blitt koblet til ALS-viamutasjoner i sigma-1-reseptoren [300], som er involvert i Ca2+-homeostase ved MCS-er. Disse MCS-ene ble forstyrret i mutante celler [302]. ALS-mutasjoner har også blitt knyttet til endret Ca2+-dynamikk ved ER-mitokondrielle MCS-er. ALS-mutantformen av VAPB fører til en endret MCS med det ytre mitokondrielle membranproteinet PTPIP51, noe som forstyrrer Ca2+opptaket ved disse MCS-ene [296].

Mange andre ALS-mutasjoner påvirker ER-mitokondrielle kontakter, slik som de i VAPB (se anmeldelser av Chen et al. og Borgese et al. i denne utgaven [275 291]). Intracellulær kalsiumhomeostase involverer også MCS mellom ER og plasmamembranen. Ved uttømming av ER kalsiumlagre, overføres ekstracellulær Ca2+ over plasmamembranen inn i ER ved MCS via SOCE.

Det ER-residente proteinet STIM1 og det plasmamembran-residente proteinet Orai1 danner et kompleks som letter SOCE (se avsnitt 2.2.4). Mutasjoner i ett eller begge av disse proteinene er kjent for å forårsake tubulær aggregert myopati (TAM) og den relaterte tilstanden Stormorken syndrom viadysregulering av kalsiumhomeostase [311–315]. Siden STIM1-binding til EB-proteiner genererer TAC-er, vil det være interessant å bestemme effektene disse mutasjonene har på TAC-basert ER-tubuli-forlengelse. Patogene infeksjoner er også knyttet til ER-relaterte proteiner.

Patogener kaprer ER i vertscellen for å fremme replikasjonen deres (gjennomgått i [364,365]). For flere av disse patogenene er det oppdaget proteiner som binder seg til ER-residente proteiner for å danne MCS-er. Disse stedene er avgjørende for patogenreplikasjon.

Kjente ER-interagerende patogener inkluderer Legionella pneumophila [352], Brome mosaic virus (BMV) [356], det ikke-innkapslede polyomavirus SV40 [206], enterovirus 71 [357], flavivirus som Zika virus [358] og Chlamydia trachomatis. Retikuloner er målrettet av Legionella pneumophila via bindingen av Ceg9 [352], BMV via viralt protein 1a [356], og enterovirus 71 via enterovirus protein2C [357].

Patogenreplikasjon fremmes ved binding av retikuloner i alle tre av disse tilfellene [351,356,357]. Legionella pneumophila interagerer også med atlastiner [352] for å fremme replikasjon [351], og det samme gjør familiemedlemmer av flavivirus: Dengue-virus, Zika-virus og West Nile-virus [358]. Chlamydia trachomatis-proteiner binder seg til VAPA, VAPB [353] og CERT [354] for å danne membrankontaktsteder med ER.

Uttømming av CERT eller VAP-proteinene reduserte bakteriell replikasjon [354], noe som igjen viser at ER-patogenMCS er kritiske for patogenreplikasjon. Interessant nok har ER-membranformende proteiner også blitt funnet å undertrykke viral replikasjon. Reticulon 3 ble funnet å binde seg til ikke-strukturelt protein 4B (NS4B) av hepatitt C-viruset [366]. Selv-oligomeriseringen av NS4B letter viral replikasjon [367].

Imidlertid, når retikulon 3 er bundet, forhindres selv-oligomerisering av NS4B, og derfor undertrykkes viral replikasjon [366]. SV40 går inn i cytoplasmaet ved å penetrere gjennom ER-membranen ved hjelp av ERAD-maskineriet [368], mest sannsynlig i en utvidet perinukleær ERQC (avsnitt 2.2.1), og dette har blitt foreslått å involvere kinesin-1-funksjon via binding til B14, en ER-lokalisert DNA-J-domeneholdig membranprotein [206].

Oppsummert kan mutasjoner i enkeltproteiner ha katastrofale effekter på ER-morfologi, dynamikk og MCS-er, noe som fører til kliniske patologier. I mange tilfeller er morfologi, dynamikk og MCS-er tett knyttet sammen, med mutasjoner som påvirker en av disse tre attributtene som ofte forårsaker negative effekter for de andre. Nyere forskning på sykdomsfremkallende mutasjoner begynner å vurdere ER-morfologi og dynamikk som relaterte emner, i motsetning til å se dem uavhengig.

Fremtidig arbeid på dette området vil sannsynligvis gi innsikt i forholdet mellom morfologi og dynamikk, samt hvordan ER-dynamikk er involvert i sykdommer som er kjent for å endre morfologi.

5. Diskusjon

Mange proteiner som er ansvarlige for å regulere ER-morfologi har blitt identifisert, og koblingene mellom morfologi og funksjon blir nå tydelige. Vi har bare så vidt begynt å kvantifisere ER-dynamikk og å forstå hvilken effekt dynamikken kan ha på prosessene utført av organellen.

Mutasjoner i morfologiregulerende proteiner har vist seg å forårsake mange menneskelige sykdommer (tabell 1), og i mange tilfeller var strukturen til ER unormal, noe som indikerer at morfologien, dynamikken og funksjonen til ER er iboende knyttet. ER-dynamikk er også helt klart avgjørende for å etablere og vedlikeholde organisasjonen av akuttmottaket og dets mange MCS-er. Igjen er de involverte proteinene ofte mutert i sykdom. En sentral utfordring for fremtiden er å definere rollene som spilles av denne dynamikken og erte bidraget fra ulike typer motilitet.

Dette vil trenge raskere bildehastighetsavbildning som ofte har blitt brukt, siden svært bevegelige ER-tubuli og potensielt samvirkende organeller beveger seg med hastigheter på opptil 5 µm/s, og ikke kan oppdages pålitelig ved avbildning ved én ramme hver 1,5–5 s, slik det ofte har vært. brukt (f.eks. [22,38,75,176,219]). Det er også viktig å merke seg at cellelinjen for å studere ER-dynamikk, Cos{10}}-cellen, har en mye mindre dynamisk ER enn andre cellelinjer [20].

Fremkomsten av superoppløsningsmikroskopi av faste og levende celler vil fortsette å gi et vell av ny forståelse av ER-struktur og dynamikk. Vi forventer at med den nylige publiseringen av flere metoder for å analysere og kvantifisere ER-dynamikk, vil flere koblinger mellom dysregulert ER-dynamikk og sykdom bli oppdaget. Forhåpentligvis vil disse funnene resultere i en ytterligere forståelse av det funksjonelle grunnlaget for ER-bevegelse. Fremtiden for ER-dynamikkforskning ser lys ut!
Forfatterbidrag: HTP og VA skrev manuskriptet. Alle forfattere har lest og samtykket til den publiserte versjonen av manuskriptet.

Finansiering: HTP ble finansiert av en Ph.D. fra Engineering and Physics Research Council. DTP-studentskap, stipendnummer EP/N509565/1.

Uttalelse fra institusjonell vurderingskomité: Ikke aktuelt.

Informert samtykkeerklæring: Ikke relevant.

Datatilgjengelighetserklæring: Ikke relevant.

Takk: Denne anmeldelsen har dekket et svært komplekst emne, og vi vil be om unnskyldning til våre kolleger hvis arbeid vi ikke var i stand til å inkludere.
Interessekonflikter: Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter. Finansierne hadde ingen rolle i skrivingen av manuskriptet, eller i beslutningen om å publisere resultatene.

Referanser

1. Valm, AM; Cohen, S.; Legant, WR; Melunis, J.; Hershberg, U.; Vent, E.; Cohen, AR; Davidson, MW; Bettig, E.; Lippincott-Schwartz, J. Bruk av spektral avbildning og analyse på systemnivå for å avsløre organelleinteraktomet. Nature 2017, 546, 162–167.[CrossRef] [PubMed]

2. Voeltz, GK; Prinz, WA; Shibata, Y.; Rist, JM; Rapoport, TA En klasse av membranproteiner som former det rørformede endoplasmikretikulum. 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 Membranproteiner i det endoplasmatiske retikulum induserer rør med høy krumning. Science 2008, 319, 1247–1250. [CrossRef] [PubMed]

4. Hu, J.; Shibata, Y.; Zhu, PP; Voss, C.; Rismanchi, N.; Prinz, WA; Rapoport, TA; Blackstone, C. En klasse av dynamisk-lignende GTPaser involvert i genereringen av det tubulære ER-nettverket. Cell 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. Homotypisk fusjon av ER-membraner krever den dynaminlignende GTPase Atlastin. Nature 2009, 460, 978–983. [CrossRef] 

6. Wang, S.; Tukachinsky, H.; Romano, FB; Rapoport, TA Samarbeid mellom de ER-formende proteinene atlastin, lunapark og reticulon for å generere et rørformet membrannettverk. Elife 2016, 5, 1–29. [CrossRef]

7. Engelsk, AR; Voeltz, GK Rab10 GTPase regulerer ER-dynamikk og morfologi. 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 og aRab18 GEF-kompleks er nødvendig for normal ER-struktur. J. Cell Biol. 2014, 205, 707–720. [CrossRef]

9. Chen, S.; Novick, P.; Ferro-Novick, S. ER nettverksdannelse krever en balanse mellom den dynaminlignende GTPase Sey1p og Lunapark-familiemedlemmet Lnp1p. Nat. Cell Biol. 2012, 14, 707–716. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com