Переплетені та точно збалансовані: морфологія, динаміка, функції та захворювання ендоплазматичного ретикулуму. Частина 7

3.4. Обчислювальний аналіз динаміки ER

Аналіз динаміки ER in vivo є складним через його складну морфологію та швидку динаміку, а також фототоксичність експериментів із флуоресцентною мікроскопією. Математичне моделювання мережі — це можливість отримати подальше розуміння цієї складної системи з іншої точки зору.

Складні форми мають властивість вражати і навіть викликати великий інтерес. Проте, чи легко запам’ятати цю графіку, текст чи інші форми – це питання, яке варто дослідити.

Загалом складні форми потребують більше пам’яті для запам’ятовування. Наприклад, запам’ятовування складної математичної формули, складного шаблону або складного пароля вимагає від нас більше часу та зусиль. Однак це не означає, що складні форми має бути важко запам’ятати.

Навпаки, якщо ми активно стикаємося зі складними формами і приймаємо правильний метод запам'ятовування, то ми легко запам'ятовуємо їх. Наприклад, коли ми хочемо запам’ятати складну формулу, ми можемо використати метод «покрокового запам’ятовування», тобто спочатку розкласти формулу на менші одиниці, запам’ятати кожну одиницю і, нарешті, з’єднати ці одиниці разом.

Крім того, ми можемо використовувати різні техніки запам’ятовування, щоб допомогти запам’ятати складні форми. Наприклад, побудова асоціацій, щоб зв’язати форму з речами, які ми вже знайомі, зміцнює пам’ять. Або ми можемо використовувати мнемоніку зображень, щоб перетворити фігури на зображення, що полегшить запам’ятовування.

Одним словом, складні форми не означають, що їх важко запам’ятати. Поки ми правильно з ними стикаємось і зберігаємо позитивне ставлення, ми можемо їх легко запам’ятати. Завдяки таким зусиллям ми можемо не тільки краще запам’ятовувати складні форми, але й покращувати пам’ять і ставати кращими версіями самих себе. Можна побачити, що нам потрібно покращити пам’ять, і Cistanche deserticola може значно покращити пам’ять, оскільки Cistanche deserticola є традиційним китайським лікарським матеріалом, який має багато унікальних ефектів, одним із яких є покращення пам’яті. Ефективність Cistanche deserticola пояснюється багатьма активними інгредієнтами, які він містить, включаючи дубильну кислоту, полісахариди, флавоноїдні глікозиди тощо. Ці інгредієнти можуть сприяти здоров’ю мозку різними шляхами.

Натисніть «Знай 10 способів покращити пам’ять».

ER канальці можна розглядати як напівгнучкі полімери, з’єднання представлені поперечними зв’язками. Нещодавно багато груп змоделювали динаміку таких поперечно-зшитих мереж напівгнучких полімерів [263–266], включно з тими, що піддаються впливу активних сил, таких як молекулярні двигуни [267–270]. Такі моделі можуть надати уявлення про динаміку мережі ER шляхом спрощення системи та врахування лише взаємодії з мікротрубочками.

Недавнє дослідження, що моделює рух частинки, оточеної мережею напівгнучких полімерів, може дати уявлення про функціональну причину активних перегрупувань ER. Gong та ін. [270] виявили, що дифузія частинки, вбудованої в мережу напівгнучких полімерів, посилюється наявністю активних двигунів.

Дифузія частинок у мережі з активними двигунами була наддифузійною, тоді як без активних двигунів спостерігалася субдифузія. Можливим поясненням цього посиленого руху була більша кількість зіткнень між частинкою та мережею за наявності активних двигунів.

Цей результат може бути пов’язаний з динамікою частинок у просвіті ER. Флуктуації в канальцях і листах мережі можуть викликати більш швидку динаміку частинок у просвіті через більш часті зіткнення з просвітною поверхнею ліпідного подвійного шару.

Було також показано, що певні аспекти морфології та динаміки ER рослин можна відтворити, розглядаючи ER як мінімальну мережу [271–273], де точки з’єднані за допомогою мінімально можливої ​​довжини трубочок. Ця модель точно відтворює аспекти морфології та динаміки ER. Точно відтворено структуру трубчастих ділянок мережі, а також динаміку замикання кільця.

Цей підхід, однак, ще не в змозі пов’язати швидку динаміку перегрупування мережі, знайдену за допомогою моделі, з тими, що спостерігаються експериментально [273]. Нещодавно також було змодельовано рух просвітових частинок.

Модель, яка описує динаміку частинок у просвіті ER, шукаючи партнерів по реакції, дійшла висновку, що морфологічні властивості мережі є найбільш впливовими факторами, що визначають час дослідження молекул [274].

Майбутні вдосконалення даних зображень, а також моделей, що використовуються для представлення мережі ER, призведуть до покращення як висновків обчислювальних моделей, так і робочих процесів для аналізу експериментальних даних.

Нещодавно кілька груп випустили програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом, призначене для вилучення динамічних змінних із відеозаписів екстреної допомоги в живих клітинах [24,27]. Такі методи кількісної оцінки морфології та динаміки мережі ER є важливими для покращення нашого розуміння цієї органели.

Аналізуючи зміни в динаміці та морфології в різнихклітинних умовах будепролити світло на основну причину динаміки ЕР та на те, як змінена динаміка може призвести до клінічних патологій.

4. Морфологія, динаміка та захворювання

Не дивно, що така органела, як ER, з її критичними та різноманітними функціями, може бути залучена до багатьох захворювань. Таким чином, порушення регуляції морфології та розподілу функціональних субдоменів ER (як описано в розділі 2.2), ймовірно, вплине на їхню функцію та може призвести до хворобливих станів, особливо в нейронах [32].

Відомо, що багато білків, що регулюють морфологію ER, мутують у захворюваннях людини [227]. Також було визначено, що неправильний зв’язок між ER та мітохондріями сприяє багатьом захворюванням через порушення регуляції переносу іонів кальцію, сигналізації інсуліну або поділу мітохондрій.

Взаємодія між ER та ендосомами/лізосомами також є життєво важливою для нормальної клітинної функції, з особливими проблемами, які спостерігаються в нейронах, коли білки, залучені в ці взаємодії, мутують [195,227].

Крім того, багато організмів, які викликають патогенні інфекції, покладаються на апарат ER для їх реплікації або проникнення в клітину. Найкраще охарактеризовані білки, що беруть участь у обох захворюваннях і підтримці ER, узагальнено в таблиці 1.

Іншим важливим фактором багатьох захворювань, особливо серцево-судинних захворювань, є швидкий стрес. На MCS впливає багато інших типів стресу [85,275], тому це, ймовірно, є важливим фактором захворювання. Необхідна подальша робота, щоб повністю вивчити взаємодію між морфологією ER та ERstress. Нещодавно були розглянуті зв’язки між надмірним стресом ER, активацією UPR і початком захворювань [276–278], але тут не розглядаються.

Білки, що регулюють морфологію ER, беруть участь у багатьох захворюваннях, включаючи численні нейродегенеративні розлади (див. [227] для чудового, ретельного огляду). Відомо, що атластини, сімейство білків, які опосередковують злиття канальців ER з мережею [4,348], мутують у спадковій спастичній параплегії (HSP) [285] і спадковій сенсорній та вегетативній нейропатії (HSAN) [346,347].

REEP і протрудин, які, як відомо, стабілізують ділянки високої кривизни мембрани в ER [2,281], також мутовані в деяких формах HSP [280,286], що свідчить про те, що аномальна морфологія ER відіграє певну роль у захворюванні. ER-пізні ендосомні/лізосомні MCSs часто спостерігаються в нейронах [70] і є життєво важливими, враховуючи, що вони зазвичай уражені хвороботворними мутаціями (табл. 1; [227]). Мутації протрудину можуть впливати на розподіл ER в аксонах через його взаємодію з кінезином-1 і його роль у створенні рухомих MCS канальців ER у пізній ендосомі [205].
Ця функція життєво важлива для ефективного розширення нейритів [129,195,204,227]. Мутації в KIF5A можуть вплинути на цей шлях. Порушення ER-ендосомальних взаємодій також впливає на ендосомальне сортування та призводить до лізосомальних дефектів (розділи 2.2.6 та 3.1.2), і це часто пов’язано з такими захворюваннями, як HSP та ALS (таблиця 1), де це може бути спричинено мутаціями спастину , strumpelin, REEP1 [177] і VAPB, як описано в іншому місці цього спеціального випуску [291].

Мутації в білках, що регулюють морфологію та динаміку ER, також були пов’язані з бічним аміотрофічним склерозом (ALS), хворобою Альцгеймера, мікросиндромом Варбурга та спіноцеребелярною атаксією 2 типу.

Ретикулони 3 і 4 мутують у хворобі Альцгеймера [336] і ALS [299] відповідно. Ретикулони регулюють викривлення мембрани ER [2], і їх мутація в ALS змінює розподіл білків-шаперонів у ER [299] і тому, ймовірно, негативно впливає на функцію ER. Нещодавно Mookherjeeet ін. виявили, що агрегація білка в цитоплазмі, загальна ознака нейродегенеративних захворювань, впливає як на морфологію, так і на динаміку ER [359].

Було виявлено, що ретикулон 4 зв’язується з цитоплазматичними агрегатами, що може бути причиною спостережуваної аномальної структури ER. У клітинах з білковими агрегатами спостерігалося менше тристоронніх з’єднань, повільніша динаміка просвіту та погіршена ефективність злиття канальців.

Таким чином, білки, що регулюють морфологію, не тільки відіграють важливу роль у виникненні захворювання, але й можуть впливати на клітинні процеси, коли хвороба прогресує.

Мікросиндром Варбурга, рідкісний розлад, який призводить до дефектів нервової системи, може бути спричинений мутаціями в Rab18 [29]. Rab18 бере участь у кількох процесах, пов’язаних з ER, включаючи регуляцію ER-ліпідної краплинної MCS за участю комплексу NRZ і білків SNARE [343, 360] (але не за всіх умов [8]) і підтримки нормальної морфології ER [8]. Як описано в Розділі 3.1.1, нещодавно також було показано, що Rab18 сприяє антероградному транспорту канальців ER через його взаємодію з кінектином-1 [198], і, незважаючи на цей результат, динамічні канальцеві ділянки мережі були відсутні в клітинах, виснажених Rab18 [8].

Подібний зв’язок між протеїнами, що регулюють морфологію, динамікою ER і хворобою спостерігається з атаксином -2 при спінно-мозочкової атаксії типу 2 (SCA2). Відомо, що мутації в атаксині -2 викликають SCA2 [350]. Вичерпання атаксину -2 збільшило частку листків у мережі ER, а також перешкоджало як тубулярній, так і просвітній динаміці [28]. Односпрямована транслокація канальців на великі відстані була зменшена, а експерименти FRAP показали, що транспорт компонентів просвіту був набагато повільнішим за відсутності атаксину -2 [28].

Мутації в Rab18 і атаксині -2, білках, які, як відомо, відіграють роль у подовженні канальців ER, спричиняють дефекти морфології канальців, а також динаміки. Поряд з білками, що формують мембрану, і білками, залученими до MCS пізніх ендосом/лізосом ER, інші Ймовірною причиною захворювань є неправильний зв’язок між ЕР і мітохондріями. ER–мітохондрії MCS є важливими місцями переносу іонів Ca2+ [275]. Порушення гомеостазу кальцію вперше було запропоновано як можливу причину нейродегенеративних захворювань Хачатуряном у 1994 році [361].

Відтоді мутації в багатьох білках, що регулюють MCS ER-мітохондрій, були причетні до захворювань людини. Мутації були виявлені в шести білках, які або рекрутуються, або беруть участь у формуванні ER-мітохондріальних MCS при хворобі Паркінсона: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -synuclein [325], PINK1 [327] та LRRK2 [329]. Було виявлено, що всі ці мутації змінюють перенесення іонів кальцію між органелами, порушують ER-мітохондріальну MCS або обидва (див. таблицю 1). Важливо відзначити, що Miro1 також залучає кінезин-1 до мітохондрій, а мутації KIF5A, як було показано, впливають на рухливість мітохондрій [362]. При хворобі Альцгеймера мутації в пресенілінах також порушують гомеостаз іонів кальцію [335].

У цьому випадку, однак, порушується робота рецепторів ріанодину (RyR) та рецепторів інозитол-1,4,5-трифосфату (IP3R), а не MCS [333,334,363]. Хвороба зуба Шарко-Марі (CMT) також була пов’язана з мутаціями в ER-мітохондріях, що формують білки MCS [303,306], хоча зв’язку між CMT і динамікою кальцію виявлено не було.

Порушення регуляції мембранних контактних ділянок між ER і мітохондріями також було причетно до інших ненейродегенеративних захворювань. Порушена передача сигналів інсуліну, характерна ознака діабету, спостерігається в клітинах з мутаціями в мітофузині 2 [308,309] і транспортному комплексі VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+ [310], обидва з яких прив’язують ER і мітохондрії до MCS.

Крім того, багато білків на інтерфейсі ER-мітохондрії були причетні до різних видів раку (переглянуто в [345]). Аномальне мітохондріальне ділення в ER-ER-мітохондріальних MCS через мутації в білку 1, пов’язаному з динаміном, також призводить до енцефалопатії [340]. Крім того, ER-мітохондріальні MCS були пов’язані з віамутаціями ALS у сигма-1 рецепторі [300], який бере участь у гомеостазі Ca2+ у MCS. Ці MCS були порушені в мутантних клітинах [302]. Мутації ALS також були пов’язані зі зміненою динамікою Ca2+ у ER–мітохондріальних MCS. Мутантна форма ALS VAPB призводить до зміненого MCS з білком зовнішньої мітохондріальної мембрани PTPIP51, що порушує поглинання Ca2+ цими MCS [296].

Багато інших мутацій ALS впливають на ER-мітохондріальні контакти, наприклад, у VAPB (див. огляди Chen та ін. та Borgese та ін. у цьому випуску [275, 291]). Внутрішньоклітинний гомеостаз кальцію також включає MCS між ER та плазматичною мембраною. Після виснаження запасів кальцію в ER позаклітинний Ca2+ переноситься через плазматичну мембрану в ER у MCS через SOCE.

ER-резидентний білок STIM1 і плазматичний мембранний резидентний білок Orai1 утворюють комплекс, що полегшує SOCE (див. Розділ 2.2.4). Відомо, що мутації в одному або обох із цих білків спричиняють тубулярну агрегатну міопатію (TAM) і пов’язаний із нею стан – синдром Сторморкена через порушення регуляції гомеостазу кальцію [311–315]. Оскільки зв’язування STIM1 з білками EB генерує TAC, буде цікаво визначити вплив цих мутацій на розширення канальців ER на основі TAC. Патогенні інфекції також пов’язані з білками, пов’язаними з ER.

Патогени захоплюють ER у клітині-господарі для подальшої їх реплікації (огляд у [364,365]). Для кількох із цих патогенів було виявлено білки, які зв’язуються з резидентними білками ER, утворюючи MCS. Ці ділянки є вирішальними для реплікації патогенів.

Відомі патогени, які взаємодіють з ER, включають Legionella pneumophila [352], вірус мозаїки Brome (BMV) [356], поліомавірус без оболонки SV40 [206], ентеровірус 71 [357], флавівіруси, такі як вірус Зіка [358], і Chlamydia trachomatis. Ретикулони уражаються Legionella pneumophila через зв’язування Ceg9 [352], BMV через вірусний білок 1a [356] та ентеровірус 71 через ентеровірусний протеїн 2C [357].

Реплікації патогенів сприяє зв’язування ретикулонів у всіх трьох цих випадках [351,356,357]. Legionella pneumophila також взаємодіє з атластинами [352] для сприяння реплікації [351], як і члени родини флавівірусів: вірус денге, вірус Зіка та вірус Західного Нілу [358]. Білки Chlamydia trachomatis зв’язуються з VAPA, VAPB [353] і CERT [354], утворюючи сайти мембранного контакту з ER.

Виснаження білків CERT або VAP зменшує реплікацію бактерій [354], ще раз демонструючи, що MCS ER-pathogen мають вирішальне значення для реплікації патогенів. Цікаво, що білки, що формують мембрану ER, також пригнічують реплікацію вірусу. Було виявлено, що ретикулон 3 зв’язується з неструктурним білком 4B (NS4B) вірусу гепатиту С [366]. Самоолігомеризація NS4B сприяє реплікації вірусу [367].

Однак, коли ретикулон 3 зв’язаний, самоолігомеризація NS4B запобігає, і тому реплікація вірусу пригнічується [366]. SV40 потрапляє в цитоплазму, проникаючи через мембрану ER за допомогою механізму ERAD [368], швидше за все, у розширеному перинуклеарному ERQC (розділ 2.2.1), і було припущено, що це включає функцію кінезин-1 через зв’язування з B14, ER-локалізований мембранний білок, що містить домен ДНК-J [206].

Таким чином, мутації в окремих білках можуть мати катастрофічні наслідки для морфології, динаміки та MCS, що призводить до клінічних патологій. У багатьох випадках морфологія, динаміка та MCS тісно пов’язані, причому мутації, що впливають на один із цих трьох атрибутів, часто спричиняють добіжний ефект для інших. Останні дослідження хвороботворних мутацій починають розглядати морфологію та динаміку ER як пов’язані теми, а не розглядати їх окремо.

Майбутня робота в цій галузі, ймовірно, дозволить зрозуміти взаємозв’язок між морфологією та динамікою, а також те, як динаміка ER залучена до захворювань, які, як відомо, змінюють морфологію.

5. Обговорення

Було ідентифіковано багато білків, які відповідають за регуляцію морфології ER, і зв’язки між морфологією та функцією тепер стають ясними. Ми тільки починаємо кількісно визначати динаміку ER і розуміти, який вплив динаміка може мати на процеси, що виконуються органелою.

Встановлено, що мутації в білках, що регулюють морфологію, викликають багато захворювань людини (таблиця 1), і в багатьох випадках структура ER була аномальною, що вказує на те, що морфологія, динаміка та функція ER внутрішньо пов’язані. Динаміка ER також є надзвичайно важливою для встановлення та підтримки організації ER та багатьох її MCS. Знову ж таки, залучені білки зазвичай мутують у хворобі. Ключовим завданням на майбутнє є визначення ролі, яку відіграє ця динаміка, і розрізнення внеску різних видів моторики.

Для цього знадобиться швидша частота кадрів, яка зазвичай використовується, оскільки дуже рухливі канальці ER і потенційно взаємодіючі органели рухаються зі швидкістю до 5 мкм/с, і їх неможливо надійно виявити під час зображення в одному кадрі кожні 1,5–5 с, як це зазвичай буває. використовується (наприклад, [22,38,75,176,219]). Важливо також відзначити, що лінія клітин Cos-7, яка є основною для вивчення динаміки ER, має набагато меншу динамічність ER, ніж інші клітинні лінії [20].

Поява мікроскопії з високою роздільною здатністю фіксованих і живих клітин продовжить забезпечувати нове розуміння структури та динаміки ER. Ми очікуємо, що з нещодавньою публікацією кількох методів аналізу та кількісного визначення динаміки ER буде виявлено більше зв’язків між нерегульованою динамікою ER та захворюванням. Сподіваємось, ці відкриття приведуть до подальшого розуміння функціональної основи руху ER. Майбутнє досліджень динаміки ER виглядає яскравим!
Авторські внески: HTP і VA написали рукопис. Усі автори прочитали та погодилися з опублікованою версією рукопису.

Фінансування: ПВТ фінансувався Радою з інженерно-фізичних досліджень Ph.D. Студентство DTP, номер гранту EP/N509565/1.

Заява інституційної ревізійної ради: не застосовується.

Заява про інформовану згоду: не застосовується.

Заява про доступність даних: не застосовується.

Подяка: цей огляд охоплює дуже складну тему, і ми хотіли б вибачитися перед нашими колегами, роботу яких ми не змогли включити.
Конфлікт інтересів: автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів. Спонсори не брали жодної ролі в написанні рукопису або в рішенні опублікувати результати.

Список літератури

1. Вальм А.М.; Коен, С.; Легант, В.Р.; Мелуніс, Дж.; Гершберг, У.; Зачекайте, Е.; Коен, А.Р.; Девідсон, MW; Беціг, Е.; Ліппінкотт-Шварц, Дж. Застосування спектрального зображення та аналізу системного рівня для виявлення інтерактома органел. Nature 2017, 546, 162–167 [CrossRef] [PubMed]

2. Вольц Г.К.; Принц, штат Вашингтон; Шибата, Ю.; Rist, JM; Rapoport, TA Клас мембранних білків, що формують тубулярний ендоплазматичний ретикулум. Cell 2006, 124, 573–586. [CrossRef]

3. Ху, Дж.; Шибата, Ю.; Восс, К.; Шемеш, Т.; Лі, З.; Кафлін, М.; Козлов, М.М.; Рапопорт Т.А.; Prinz, WA Мембранні білки ендоплазматичного ретикулуму індукують канальці з високою кривизною. Наука 2008, 319, 1247–1250. [CrossRef] [PubMed]

4. Ху, Дж.; Шибата, Ю.; Чжу, PP; Восс, К.; Рісманчі, Н.; Принц, штат Вашингтон; Рапопорт Т.А.; Blackstone, C. Клас Dynamin-подібних GTPases, залучених до генерації трубчастої мережі ER. Cell 2009, 138, 549–561. [CrossRef]

5. Орсо, Г.; Пендін, Д.; Лю, С.; Тосетто, Дж.; Мосс, TJ; Фауст, JE; Мікароні, М.; Єгорова, А.; Мартінуцці, А.; МакНью, Дж.А.; та ін. Для гомотипного злиття мембран ER необхідна динаміноподібна ГТФ-аза атластин. Nature 2009, 460, 978–983. [CrossRef] 

6. Ван, С.; Тукачинський, Х.; Романо, Ф. Б.; Рапопорт, Т. А. Співпраця ER-формуючих білків атластина, лунапарку та ретикулона для створення мережі трубчастої мембрани. Elife 2016, 5, 1–29. [CrossRef]

7. англійська, АР; Voeltz, GK Rab10 GTPase регулює динаміку та морфологію ER. Нац. Cell Biol. 2013, 15, 169–178 [CrossRef] [PubMed]

8. Герондопулос, А.; Бастос, Р.Н.; Йосімура, С.І.; Андерсон, Р.; Карпаніні, С.; Алігіаніс, І.; Хендлі, MT; Комплекс Barr, FA Rab18 і aRab18 GEF необхідні для нормальної структури ER. J. Cell Biol. 2014, 205, 707–720. [CrossRef]

9. Чен, С.; Новик, П.; Ферро-Новік, С. Формування мережі ER вимагає балансу динамін-подібної GTPase Sey1p і члена сімейства Lunapark Lnp1p. Нац. Cell Biol. 2012, 14, 707–716. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com