Переплетены и тонко сбалансированы: морфология, динамика, функция и заболевания эндоплазматической сети. Часть 7

3.4. Компьютерный анализ динамики ЭР

Анализ динамики ЭР in vivo является сложной задачей из-за его сложной морфологии и быстрой динамики, а также фототоксичности в экспериментах с флуоресцентной микроскопией. Математическое моделирование сети — это возможность получить дальнейшее представление об этой сложной системе с другой точки зрения.

Сложные формы имеют свойство впечатлять и даже вызывать большой интерес. Однако стоит изучить вопрос, легко ли запомнить эти графики, текст или другие формы.

Вообще говоря, сложные формы требуют больше памяти для запоминания. Например, сложная математическая формула, сложный шаблон или сложный пароль требуют от нас больше времени и усилий для запоминания. Однако это не означает, что сложные формы должно быть трудно запомнить.

Напротив, если мы активно сталкиваемся со сложными формами и выбираем правильный метод запоминания, то мы легко их запоминаем. Например, когда мы хотим запомнить сложную формулу, мы можем использовать метод «пошаговое запоминание», то есть сначала разложить формулу на более мелкие единицы, запомнить каждую единицу и, наконец, соединить эти единицы вместе.

Кроме того, мы можем использовать различные методы запоминания, которые помогут нам запомнить сложные формы. Например, построение ассоциаций, позволяющих связать форму с уже знакомыми нам предметами, укрепляет память. Или мы можем использовать мнемонику изображений, чтобы преобразовать фигуры в изображения, что облегчит их запоминание.

Короче говоря, сложные формы не означают, что их трудно запомнить. Если мы смотрим на них правильно и сохраняем позитивный настрой, мы можем легко их запомнить. Благодаря таким усилиям мы можем не только лучше запоминать сложные формы, но и улучшить нашу память и стать лучшей версией самих себя. Видно, что нам необходимо улучшить память, а цистанхе пустынный может значительно улучшить память, потому что цистанхе пустынный — это традиционное китайское лекарственное средство, обладающее множеством уникальных эффектов, одним из которых является улучшение памяти. Эффективность Cistanche Deserticola обусловлена ​​множеством содержащихся в нем активных ингредиентов, включая дубильную кислоту, полисахариды, флавоноидные гликозиды и т. д. Эти ингредиенты могут способствовать здоровью мозга различными путями.

Нажмите «Узнай 10 способов улучшить память»

Трубочки ЭР можно рассматривать как полугибкие полимеры, соединения которых представлены поперечными связями. Недавно многие группы смоделировали динамику таких сшитых сетей полугибких полимеров [263–266], включая те, на которые влияют активные силы, такие как молекулярные моторы [267–270]. Такие модели могут дать представление о динамике сети ER за счет упрощения системы и рассмотрения только взаимодействий с микротрубочками.

Недавнее исследование, моделирующее движение частицы, окруженной сеткой полугибких полимеров, может дать представление о функциональной причине активных перестроек ЭР. Гонг и др. [270] обнаружили, что диффузия частиц, внедренных в сетку полугибких полимеров, усиливается при наличии активных двигателей.

Диффузия частиц в сети с активными моторами носила сверхдиффузионный характер, тогда как без активных моторов наблюдалась субдиффузия. Возможным объяснением этого усиленного движения было большее количество столкновений между частицей и сеткой при наличии активных двигателей.

Этот результат может быть связан с динамикой частиц в просвете ЭР. Колебания в канальцах и слоях сети могут вызывать более быструю динамику частиц внутри просвета из-за более частых столкновений с просветной поверхностью липидного бислоя.

Также было показано, что некоторые аспекты морфологии и динамики ER растений могут быть воспроизведены, если рассматривать ER как минимальную сеть [271–273], где точки соединяются с использованием канальцев минимально возможной длины. Эта модель точно воссоздает аспекты морфологии и динамики ЭР. Точно воссоздана структура трубчатых участков сети, как и динамика замыкания колец.

Однако этот подход пока не способен связать динамику быстрой перестройки сети, обнаруженную с помощью модели, с наблюдаемыми экспериментально [273]. Недавно также было смоделировано движение просветных частиц.

Модель, описывающая динамику частиц в просвете ЭР в поисках партнеров по реакции, пришла к выводу, что морфологические свойства сети являются наиболее влиятельными факторами, определяющими время исследования молекул [274].

Будущие улучшения в данных изображений, а также в моделях, используемых для представления сети ER, приведут к улучшению как выводов вычислительных моделей, так и рабочих процессов для анализа экспериментальных данных.

Недавно несколько групп выпустили программное обеспечение с открытым исходным кодом, предназначенное для извлечения динамических переменных из видео ЭР в живых клетках [24,27]. Такие методы количественной оценки морфологии и динамики сети ER необходимы для продвижения нашего понимания этой органеллы.

Анализ изменений в динамике и морфологии при различных клеточных условиях позволитпролить свет на основную причину динамики ER, а нарушение динамики может привести к клиническим патологиям.

4. Морфология, динамика и заболевание

Неудивительно, что такая органелла, как ЭР, с ее критически важными и разнообразными функциями, участвует во многих заболеваниях. Таким образом, нарушение регуляции морфологии и распределения функциональных субдоменов ЭР (как описано в разделе 2.2), вероятно, повлияет на их функцию и может привести к болезненным состояниям, особенно в нейронах [32].

Известно, что многие белки, регулирующие морфологию ЭР, мутируют при заболеваниях человека [227]. Недопонимание между ЭР и митохондриями также было идентифицировано как причина многих заболеваний, либо из-за нарушения регуляции переноса ионов кальция, передачи сигналов инсулина или деления митохондрий.

Взаимодействия между ЭР и эндосомами/лизосомами также жизненно важны для нормальной клеточной функции, причем особые проблемы наблюдаются в нейронах, когда белки, участвующие в этих взаимодействиях, мутируют [195,227].

Кроме того, многие организмы, вызывающие патогенные инфекции, полагаются на механизм ER для своей репликации или проникновения в клетку. Наиболее изученные белки, участвующие как в заболеваниях, так и в поддержании ЭР, суммированы в таблице 1.

Другим важным фактором многих заболеваний, особенно сердечно-сосудистых заболеваний, является стресс ER. На MCSs влияют многие другие типы стресса [85,275], и поэтому это, вероятно, окажется важным фактором заболевания. Необходима дальнейшая работа, чтобы полностью изучить взаимодействие между морфологией ER и ER-стрессом. Связи между чрезмерным стрессом ER, активацией UPR и возникновением заболеваний были недавно рассмотрены [276–278], но здесь не рассматриваются.

Белки, регулирующие морфологию ER, участвуют во многих заболеваниях, включая множественные нейродегенеративные расстройства (отличный и тщательный обзор см. в [227]). Известно, что атластины, семейство белков, которые опосредуют слияние канальцев ЭР с сетью [4,348], мутируют при наследственной спастической параплегии (HSP) [285] и наследственной сенсорной и автономной нейропатии (HSAN) [346,347].

REEP и протрудин, которые, как известно, стабилизируют области высокой кривизны мембраны в ЭР [2,281], также мутируют в некоторых формах HSP [280,286], что указывает на то, что аномальная морфология ЭР играет роль в заболевании. МКС ER-поздних эндосом/лизосом часто наблюдаются в нейронах [70] и жизненно важны, учитывая, что на них обычно влияют мутации, вызывающие заболевания (таблица 1; [227]). Мутации протрудина могут влиять на распределение ER в аксонах из-за его взаимодействия с kinesin-1 и его роли в генерации подвижных MCSs трубчато-поздних эндосом ER [205].
Эта функция жизненно важна для эффективного расширения нейритов [129,195,204,227]. Мутации KIF5A, возможно, могут повлиять на этот путь. Нарушение взаимодействий ЭР-эндосом также влияет на сортировку эндосом и приводит к лизосомальным дефектам (разделы 2.2.6 и 3.1.2), и это часто связано с такими заболеваниями, как HSP и ALS (таблица 1), где это может быть вызвано мутациями в спастине. , струмпелин, REEP1 [177] и VAPB, как описано в других разделах этого специального выпуска [291].

Мутации в белках, регулирующих морфологию и динамику ЭР, также связаны с боковым амиотрофическим склерозом (АЛС), болезнью Альцгеймера, микросиндромом Варбурга и спиноцеребеллярной атаксией 2 типа.

Ретикулоны 3 и 4 мутированы при болезни Альцгеймера [336] и БАС [299] соответственно. Ретикулоны регулируют кривизну мембраны ЭР [2], а их мутация при БАС меняет распределение белков-шаперонов внутри ЭР [299] и, следовательно, вероятно, отрицательно влияет на функцию ЭР. Недавно Мукерджиет др. обнаружили, что агрегация белков в цитоплазме, общий признак нейродегенеративных заболеваний, влияет как на морфологию, так и на динамику ЭР [359].

Было обнаружено, что ретикулон 4 связывается с цитоплазматическими агрегатами, что может быть причиной наблюдаемой аномальной структуры ЭР. Меньшее количество трехсторонних соединений, более медленная динамика просвета и нарушение эффективности слияния канальцев наблюдались в клетках с белковыми агрегатами.

Следовательно, белки, регулирующие морфологию, не только играют роль в возникновении заболевания, но они также могут влиять на клеточные процессы после прогрессирования заболевания.

Микросиндром Варбурга, редкое заболевание, приводящее к дефектам нервного развития, может быть вызван мутациями Rab18 [29]. Rab18 участвует в нескольких процессах, связанных с ER, включая регуляцию MCS ER-липидных капель с участием комплекса NRZ и белков SNARE [343,360] (но не при всех условиях [8]) и поддержание нормальной морфологии ER [8]. Как описано в разделе 3.1.1, недавно было показано, что Rab18 способствует антероградному транспорту канальцев ЭР посредством взаимодействия с кинектином-1 [198] и, вопреки этому результату, динамические тубулярные области сети отсутствовали в клетках, обедненных Раб18 [8].

Аналогичная связь между белками, регулирующими морфологию, динамикой ER и заболеванием, наблюдается с атаксином -2 при спиноцеребеллярной атаксии типа 2 (SCA2). Известно, что мутации в атаксине -2 вызывают SCA2 [350]. Истощение атаксина -2 увеличивает долю листов в сети ER, а также препятствует как канальцевой, так и просветной динамике [28]. Однонаправленная транслокация канальцев на большие расстояния уменьшалась, а эксперименты с FRAP показали, что транспорт просветных компонентов был намного медленнее в отсутствие атаксина -2 [28].

Мутации в Rab18 и атаксине -2, белках, которые, как известно, играют роль в расширении канальцев ЭР, вызывают дефекты морфологии и динамики канальцев. Наряду с белками, формирующими мембрану, и белками, участвующими в ER-поздних эндосомных/лизосомных MCS, существует еще один Вероятной причиной заболеваний является нарушение связи между ЭР и митохондриями. ЭР-митохондрии MCS являются важными местами переноса ионов Ca2+ [275]. Нарушение гомеостаза кальция было впервые предложено как возможная причина нейродегенеративных заболеваний Хачатуряном в 1994 году [361].

С тех пор мутации во многих белках, регулирующих ЭР-митохондрии MCS, были вовлечены в заболевания человека. Мутации были обнаружены в шести белках, которые либо рекрутируются, либо участвуют в формировании ER-митохондриальных MCS при болезни Паркинсона: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -синуклеин [325], PINK1. [327] и LRRK2 [329]. Было обнаружено, что все эти мутации изменяют перенос ионов кальция между органеллами, нарушают ЭР-митохондриальный MCS или и то, и другое (см. Таблицу 1). Важно отметить, что Miro1 также рекрутирует кинезин-1 в митохондрии, а мутация KIF5A, как было показано, влияет на подвижность митохондрий [362]. При болезни Альцгеймера мутации пресенилинов также нарушают гомеостаз ионов кальция [335].

Однако в этом случае нарушается работа рианодиновых рецепторов (RyR) и инозитол-1,4,5-трифосфатных рецепторов (IP3R), а не MCSs [333,334,363]. Болезнь Шарко-Мари-Тута (ШМТ) также связана с мутациями в белках, образующих MCS-митохондрии ER [303,306], хотя связи между ШМТ и динамикой кальция не обнаружено.

Нарушение регуляции мест мембранного контакта между ЭР и митохондриями также связано с другими ненейродегенеративными заболеваниями. Нарушение передачи сигналов инсулина, отличительный признак диабета, наблюдается в клетках с мутациями в митофузине 2 [308,309] и комплексе переноса VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+ [310], оба из которых привязывают ЭР и митохондрии к MCS.

Кроме того, многие белки на границе ЭР-митохондрии вовлечены в различные виды рака (обзор [345]). Аномальное деление ER-ER-митохондриальных MCS митохондрий из-за мутаций в динамин-родственном белке 1 также приводит к энцефалопатии [340]. Кроме того, ER-митохондриальные MCS были связаны с ALS посредством мутаций в рецепторе сигма-1 [300], который участвует в гомеостазе Ca2+ в MCS. Эти MCS были разрушены в мутантных клетках [302]. Мутации ALS также связаны с изменением динамики Ca2+ в ER-митохондриальных MCS. Мутантная форма VAPB при ALS приводит к изменению MCS с белком внешней митохондриальной мембраны PTPIP51, нарушая поглощение Ca2+ в этих MCS [296].

Многие другие мутации ALS влияют на контакты ER-митохондрий, например, при VAPB (см. обзоры Chen et al. и Borgese et al. в этом выпуске [275,291]). Внутриклеточный гомеостаз кальция также включает MCSs между ER и плазмамембраной. При истощении запасов кальция в ЭР внеклеточный Ca2+ переносится через плазматическую мембрану в ЭР в MCS через SOCE.

Резидентный в ER белок STIM1 и белок, резидентный в плазматической мембране Orai1, образуют комплекс, облегчающий SOCE (см. раздел 2.2.4). Известно, что мутации в одном или обоих этих белках вызывают тубулярную агрегатную миопатию (ТАМ) и связанное с ней состояние, синдром Сторморкена, вследствие нарушения регуляции гомеостаза кальция [311–315]. Поскольку связывание STIM1 с белками EB генерирует TAC, будет интересно определить влияние этих мутаций на расширение канальцев ER на основе TAC. Патогенные инфекции также связаны с белками, родственными ER.

Патогены захватывают ЭР в клетке-хозяине для дальнейшей их репликации (обзор в [364,365]). Для некоторых из этих патогенов были обнаружены белки, которые связываются с белками-резидентами ER с образованием MCS. Эти сайты имеют решающее значение для репликации патогена.

Известные патогены, взаимодействующие с ЭР, включают Legionella pneumophila [352], вирус бромной мозаики (BMV) [356], безоболочечный полиомавирус SV40 [206], энтеровирус 71 [357], флавивирусы, такие как вирус Зика [358] и Chlamydia trachomatis. Ретикулоны подвергаются воздействию Legionella pneumophila посредством связывания Ceg9 [352], BMV через вирусный белок 1a [356] и энтеровируса 71 через белок энтеровируса 2C [357].

Репликации патогена во всех трех случаях способствует связывание ретикулонов [351,356,357]. Legionella pneumophila также взаимодействует с атластинами [352], способствуя репликации [351], как и члены семейства флавивирусов: вирус Денге, вирус Зика и вирус Западного Нила [358]. Белки Chlamydia trachomatis связываются с VAPA, VAPB [353] и CERT [354] с образованием участков мембранного контакта с ЭР.

Истощение CERT или белков VAP снижает репликацию бактерий [354], еще раз демонстрируя, что ER-патогенные MCS имеют решающее значение для репликации патогена. Интересно, что белки, формирующие мембрану ЭР, также подавляют репликацию вируса. Было обнаружено, что ретикулон 3 связывается с неструктурным белком 4B (NS4B) вируса гепатита С [366]. Самоолигомеризация NS4B облегчает репликацию вируса [367].

Однако когда ретикулон 3 связан, самоолигомеризация NS4B предотвращается и, следовательно, репликация вируса подавляется [366]. SV40 проникает в цитоплазму, проникая через мембрану ЭР с помощью механизма ERAD [368], скорее всего, в расширенном перинуклеарном ERQC (раздел 2.2.1), и предполагается, что это связано с функцией кинезина-1 посредством связывания с B14, Мембранный белок, содержащий домен ДНК-J, локализованный в ER [206].

Таким образом, мутации в отдельных белках могут иметь катастрофические последствия для морфологии, динамики и MCS ER, приводя к клиническим патологиям. Во многих случаях морфология, динамика и MCS тесно связаны, при этом мутации, затрагивающие один из этих трех атрибутов, часто вызывают побочные эффекты для других. Недавние исследования мутаций, вызывающих заболевания, начинают рассматривать морфологию и динамику ER как связанные темы, а не рассматривать их независимо.

Будущая работа в этой области, вероятно, даст представление о взаимосвязи между морфологией и динамикой, а также о том, как динамика ER участвует в заболеваниях, которые, как известно, изменяют морфологию.

5. Обсуждение

Многие белки, ответственные за регуляцию морфологии ER, были идентифицированы, и связи между морфологией и функцией теперь становятся ясными. Мы только начинаем количественно оценивать динамику ЭР и понимать, какое влияние эта динамика может оказывать на процессы, осуществляемые органеллой.

Было обнаружено, что мутации в белках, регулирующих морфологию, вызывают многие заболевания человека (таблица 1), и во многих случаях структура ЭР была аномальной, что указывает на то, что морфология, динамика и функция ЭР неразрывно связаны. Динамика ER также явно жизненно важна для создания и поддержания организации ER и его многочисленных MCS. Опять же, вовлеченные белки обычно мутируют при заболевании. Ключевой задачей на будущее является определение роли, которую играет эта динамика, и разделение вклада различных видов моторики.

Для этого потребуется визуализация с более высокой частотой кадров, которая обычно используется, поскольку высокоподвижные канальцы ЭР и потенциально взаимодействующие органеллы движутся со скоростью до 5 мкм/с и не могут быть надежно обнаружены при визуализации в одном кадре каждые 1,5–5 с, как это обычно бывает. используется (например, [22,38,75,176,219]). Также важно отметить, что клеточная линия, используемая для изучения динамики ЭР, клетка Cos-7, имеет гораздо менее динамичный ЭР, чем другие клеточные линии [20].

Появление микроскопии фиксированных и живых клеток со сверхвысоким разрешением будет продолжать обеспечивать новое понимание структуры и динамики ЭР. Мы ожидаем, что с недавней публикацией нескольких методов анализа и количественной оценки динамики ER будет обнаружено больше связей между нерегулируемой динамикой ER и заболеванием. Будем надеяться, что эти открытия приведут к дальнейшему пониманию функциональной основы движения ER. Будущее исследований динамики ЭР выглядит светлым!
Вклад авторов: ПВТ и В.А. написали рукопись. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование: ПВТ финансировался Советом инженерно-физических исследований Ph.D. Студенчество DTP, номер гранта EP/N509565/1.

Заявление Институционального наблюдательного совета: Неприменимо.

Заявление об информированном согласии: Не применимо.

Заявление о доступности данных: Не применимо.

Благодарности: Этот обзор затронул очень сложную тему, и мы хотели бы извиниться перед нашими коллегами, чьи работы мы не смогли включить.
Конфликты интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Спонсоры не играли никакой роли в написании рукописи или в решении опубликовать результаты.

Рекомендации

1. Вальм А.М.; Коэн, С.; Легант, WR; Мелунис, Дж.; Хершберг, У.; Подожди, Э.; Коэн, Арканзас; Дэвидсон, Миссури; Бетциг, Э.; Липпинкотт-Шварц, Дж. Применение спектральной визуализации и анализа на системном уровне для выявления интерактома органелл. Nature 2017, 546, 162–167. [CrossRef] [PubMed]

2. Фельц, Г.К.; Принц, Вашингтон; Сибата, Ю.; Рист, Дж. М.; Рапопорт Т.А. Класс мембранных белков, формирующих эндоплазмикретикулум канальцев. Cell 2006, 124, 573–586. [Перекрестная ссылка]

3. Ху, Дж.; Сибата, Ю.; Восс, К.; Шемеш, Т.; Ли, З.; Кафлин, М.; Козлов, М.М.; Рапопорт, Т.А.; Принц, В.А. Мембранные белки эндоплазматической сети индуцируют канальцы высокой кривизны. Наука 2008, 319, 1247–1250. [Перекрестная ссылка] [PubMed]

4. Ху, Дж.; Сибата, Ю.; Чжу, ПП; Восс, К.; Рисманчи, Н.; Принц, Вашингтон; Рапопорт, Т.А.; Блэкстоун, К. Класс динаминоподобных GTPases, участвующих в создании трубчатой ​​сети ER. Cell 2009, 138, 549–561. [Перекрестная ссылка]

5. Орсо, Г.; Пендин, Д.; Лю, С.; Тосетто, Дж.; Мосс, Ти Джей; Фауст, Дж. Э.; Микарони, М.; Егорова А.; Мартинуцци, А.; Макнью, Дж.А.; et al. Гомотипическое слияние мембран ЭР требует динаминоподобной ГТФазы Атластина. Природа 2009, 460, 978–983. [Перекрестная ссылка] 

6. Ван С.; Тукачинский, Х.; Романо, ФБ; Рапопорт, Т.А. Сотрудничество формирующих ЭР белков атластина, лунапарка и ретикулонов для создания канальцевой мембранной сети. Элайф 2016, 5, 1–29. [Перекрестная ссылка]

7. Английский, Арканзас; Воельц, Г.К. Rab10 ГТФаза регулирует динамику и морфологию ЭР. Нат. Клеточная Биол. 2013, 15, 169–178. [CrossRef] [PubMed]

8. Герондопулос А.; Бастос, Р.Н.; Ёсимура, СИ; Андерсон, Р.; Карпанини, С.; Алигианис, И.; Хэндли, Монтана; Барр, комплекс FA Rab18 и aRab18 GEF необходимы для нормальной структуры ЭР. Дж. Клеточная Биол. 2014, 205, 707–720. [Перекрестная ссылка]

9. Чен, С.; Новик, П.; Ферро-Новик, С. Формирование сети ER требует баланса динаминоподобной ГТФазы Sey1p и члена семейства Лунапарков Lnp1p. Нат. Клеточная Биол. 2012, 14, 707–716. [Перекрестная ссылка]

For more information:1950477648nn@gmail.com