Sammanflätad och finbalanserad: endoplasmatisk retikulummorfologi, dynamik, funktion och sjukdomar Del 7

3.4. Beräkningsanalys av ER Dynamics

Att analysera dynamiken hos ER in vivo är utmanande på grund av dess komplexa morfologi och snabba dynamik samt fototoxiciteten av fluorescensmikroskopiexperiment. Matematisk modellering av nätverket är en möjlighet att få ytterligare insikter i detta komplexa system från en annan synvinkel.

Komplexa former tenderar att imponera och till och med väcka stort intresse. Huruvida dessa bilder, text eller andra former är lätta att komma ihåg är dock en fråga värd att undersöka.

Generellt sett kräver komplexa former mer minne för att komma ihåg. Till exempel kräver en komplex matematisk formel, ett komplext mönster eller ett komplext lösenord att vi lägger mer tid och ansträngning på att komma ihåg. Det betyder dock inte att komplexa former måste vara svåra att komma ihåg.

Tvärtom, om vi aktivt möter komplexa former och använder den korrekta minnesmetoden, kan vi komma ihåg dem lätt. Till exempel, när vi vill memorera en komplex formel kan vi använda metoden "steg-för-steg-minne", det vill säga först dekomponera formeln i mindre enheter, memorera varje enhet och slutligen skarva ihop dessa enheter.

Dessutom kan vi använda olika minnestekniker för att hjälpa oss komma ihåg komplexa former. Att bygga föreningar för att koppla samman formen med sådant vi redan känner till stärker till exempel minnet. Eller så kan vi använda bildminne för att konvertera formerna till bilder, vilket gör det lättare att komma ihåg.

Kort sagt, komplexa former betyder inte att de är svåra att komma ihåg. Så länge vi möter dem på rätt sätt och upprätthåller en positiv attityd kan vi lätt komma ihåg dem. Genom sådana ansträngningar kan vi inte bara bättre komma ihåg komplexa former, utan också förbättra vårt minne och bli bättre versioner av oss själva. Det kan ses att vi behöver förbättra minnet, och Cistanche deserticola kan förbättra minnet avsevärt eftersom Cistanche deserticola är ett traditionellt kinesiskt läkemedelsmaterial som har många unika effekter, varav en är att förbättra minnet. Effekten av Cistanche deserticola kommer från de många aktiva ingredienser den innehåller, inklusive garvsyra, polysackarider, flavonoidglykosider, etc. Dessa ingredienser kan främja hjärnans hälsa genom en mängd olika vägar.

Klicka på vet 10 sätt att förbättra minnet

ER-tubuli kan betraktas som semiflexibla polymerer, med förbindelser representerade av tvärbindningar. Nyligen har många grupper modellerat dynamiken hos sådana tvärbundna nätverk av halvflexibla polymerer [263–266], inklusive de som påverkas av aktiva krafter som molekylära motorer [267–270]. Sådana modeller kan ge insikter i ER-nätverksdynamiken genom att förenkla systemet och endast överväga interaktioner med mikrotubuli.

En nyligen genomförd studie som modellerar rörelsen hos en partikel omgiven av ett nätverk av semiflexibla polymerer kan ge insikter i den funktionella orsaken till aktiva omarrangemang av ER. Gong et al. [270] fann att diffusionen av en partikel inbäddad i ett nätverk av halvflexibla polymerer förstärktes av närvaron av aktiva motorer.

Diffusion av partiklar i ett nätverk med aktiva motorer var superdiffusiv, medan subdiffusion observerades utan aktiva motorer. En möjlig förklaring till denna förstärkta rörelse var det större antalet kollisioner mellan partikeln och nätverket i närvaro av aktiva motorer.

Detta resultat kan relatera till dynamiken hos partiklar i lumen av ER. Fluktuationer i nätverkets tubuli och ark kan inducera snabbare dynamik hos partiklarna i lumen på grund av mer frekventa kollisioner med den lumenala ytan av lipiddubbelskiktet.

Det har också visat sig att vissa aspekter av växt-ER-morfologi och dynamik kan replikeras genom att betrakta ER som ett minimalt nätverk [271–273], där punkter är sammankopplade med den minsta möjliga längden på tubuli. Denna modell återskapar exakt aspekter av ER-morfologi och dynamik. Strukturen av rörformiga områden i nätverket återskapas exakt, liksom dynamiken i ringstängning.

Detta tillvägagångssätt är dock ännu oförmöget att relatera den snabba omarrangeringsdynamiken i nätverket som hittats med hjälp av modellen med de som observerats experimentellt [273]. Rörelsen hos lumenala partiklar har också nyligen simulerats.

En modell som beskriver dynamiken hos partiklar i lumen i ER som letar efter reaktionspartners drog slutsatsen att nätverkets morfologiska egenskaper är de mest inflytelserika faktorerna som bestämmer utforskningstiderna för molekyler [274].

Framtida förbättringar av bilddata, såväl som i modellerna som används för att representera ER-nätverket, kommer att resultera i förbättringar i både slutsatserna av beräkningsmodeller och arbetsflöden för att analysera experimentella data.

Nyligen har flera grupper släppt programvara med öppen källkod utformad för att extrahera dynamiska variabler från videor av ER i levande celler [24,27]. Sådana metoder för att kvantifiera morfologi och dynamik i ER-nätverket är viktiga för att främja vår förståelse av denna organell.

Analys av förändringar i dynamik och morfologi under olika cellulära förhållanden kommerbelysa den bakomliggande orsaken till ER-dynamik och hur förändrad dynamik kan leda till kliniska patologier.

4. Morfologi, dynamik och sjukdomar

Det är föga förvånande att en organell som ER, med sina kritiska och olika funktioner, skulle vara involverad i många sjukdomar. Dysreglering av morfologin och distributionen av de funktionella subdomänerna av ER (som beskrivs i avsnitt 2.2) kommer därför sannolikt att påverka deras funktion och kan resultera i sjukdomstillstånd, särskilt i neuroner [32].

Många ER-morfologireglerande proteiner är kända för att vara muterade i humana sjukdomar [227]. Felkommunikation mellan ER och mitokondrier har också identifierats som en bidragande orsak till många sjukdomar, antingen via dysreglering av kalciumjonöverföring, insulinsignalering eller mitokondriell division.

Interaktioner mellan ER och endosomer/lysosomer är lika viktiga för normal cellulär funktion, med särskilda problem som ses i neuroner när proteiner som är involverade i dessa interaktioner muteras [195,227].

Dessutom är många organismer som ger upphov till patogena infektioner beroende av ER-maskiner för replikering eller inträde i cellen. De bäst karakteriserade proteinerna som är involverade i både sjukdomar och underhåll av ER sammanfattas i tabell 1.

En annan viktig faktor i många sjukdomar, särskilt hjärt-kärlsjukdomar, är ER-stress. MCS påverkas av många andra typer av stress [85 275], och detta kommer sannolikt att visa sig vara en viktig faktor i sjukdomen. Ytterligare arbete behövs för att till fullo utforska samspelet mellan ER-morfologi och ERstress. Länkar mellan överdriven ER-stress, UPR-aktivering och uppkomsten av sjukdomar granskades nyligen [276-278], men behandlas inte här.

ER-morfologireglerande proteiner är inblandade i många sjukdomar, inklusive flera neurodegenerativa störningar (se [227] för en utmärkt, grundlig genomgång). Atlastiner, en familj av proteiner som förmedlar sammansmältningen av ER-tubuli till nätverket [4,348], är kända för att vara muterade i ärftlig spastisk paraplegi (HSP) [285] och ärftlig sensorisk och autonom neuropati (HSAN) [346,347].

REEPs och protrudin, som är kända för att stabilisera regioner med hög membrankrökning i ER [2 281], är också muterade i vissa former av HSP [280 286], vilket tyder på att onormal ER-morfologi spelar en roll i sjukdomen. ER-sen endosom/lysosom MCS ses ofta i neuroner [70] och är mycket viktiga med tanke på att de ofta påverkas av sjukdomsalstrande mutationer (tabell 1; [227]). Protrudinmutationer kan påverka ER-distribution i axoner, på grund av dess interaktioner med kinesin -1, och dess roll i att generera rörliga ER tubuli-sena endosom MCSs [205].
Denna funktion är avgörande för effektiv neuritförlängning [129,195,204,227]. Mutationer i KIF5A kan tänkas påverka denna väg. Störningen av ER–endosomala interaktioner påverkar också endosomal sortering och leder till lysosomala defekter (avsnitt 2.2.6 och 3.1.2), och detta är ofta kopplat till sjukdomar som HSP och ALS (tabell 1), där det kan orsakas av mutationer i spastin , strumpelin, REEP1 [177] och VAPB, som beskrivs på annan plats i detta specialnummer [291].

Mutationer i proteiner som reglerar ER-morfologi och dynamik har också associerats med amyotrofisk lateralskleros (ALS), Alzheimers sjukdom, Warburgs mikrosyndrom och spinocerebellär ataxi typ 2.

Retikulonerna 3 och 4 är muterade vid Alzheimers sjukdom [336] respektive ALS [299]. Retikuloner reglerar ER-membrankrökningen [2] och deras mutation i ALS förändrar fördelningen av chaperoneproteiner inom ER [299] och kommer därför sannolikt att negativt påverka ER-funktionen. Nyligen har Mookherjeeet al. upptäckte att proteinaggregation i cytoplasman, ett vanligt kännetecken för neurodegenerativa sjukdomar, påverkar både ER-morfologi och dynamik [359].

Reticulon 4 befanns binda till de cytoplasmatiska aggregaten, vilket kan vara orsaken till den observerade onormala ER-strukturen. Färre trevägsövergångar, långsammare lumenal dynamik och försämrad tubulifusionseffektivitet observerades i celler med proteinaggregat.

Därför spelar inte bara morfologireglerande proteiner en roll i uppkomsten av sjukdomen, utan de kan också påverka cellulära processer när sjukdomen har fortskridit.

Warburg Micro syndrom, en sällsynt störning som resulterar i neuroutvecklingsdefekter, kan orsakas av mutationer i Rab18 [29]. Rab18 är involverad i flera ER-relaterade processer, inklusive regleringen av ER-lipiddroppar MCS som involverar NRZ-komplexet och SNAREproteiner [343,360] (men inte under alla förhållanden [8]) och upprätthållandet av normal ERmorfologi [8]. Som beskrivs i avsnitt 3.1.1 har Rab18 också nyligen visat sig främja anterograd ER-tubulitransport via dess interaktion med kinektin-1 [198] och i strid med detta resultat saknades de dynamiska tubulära regionerna i nätverket i celler som var utarmade av Rab18 [8].

Ett liknande samband mellan morfologireglerande proteiner, ERdynamics och sjukdom observeras med ataxin-2 i spinocerebellär ataxi typ 2 (SCA2). Mutationer i ataxin-2 är kända för att orsaka SCA2 [350]. Utarmning av ataxin-2 ökade andelen ark i ER-nätverket samt hindrade både tubulär och lumenal dynamik [28]. Enkelriktad, långdistanstranslokation av tubuli minskade och FRAP-experiment visade att transporten av lumenala komponenter var mycket långsammare i frånvaro av ataxin-2 [28].

Mutationer i Rab18 och ataxin-2, proteiner som är kända för att spela en roll i att förlänga ER-tubuli, orsakar båda defekter i tubulär morfologi såväl som dynamik. Vid sidan av membranformande proteiner och proteiner involverade i ER-sena endosom/lysosom MCS, en annan trolig orsak till sjukdomar är felkommunikationen mellan ER och mitokondrier. ER–mitokondrier MCS är viktiga platser för Ca2+-jonöverföring [275]. Nedsatt kalciumhomeostas föreslogs först som en möjlig orsak till neurodegenerativa sjukdomar av Khachaturian 1994 [361].

Sedan dess har mutationer i många proteiner som reglerar ER-mitokondrier MCS varit inblandade i mänskliga sjukdomar. Mutationer har hittats i sex proteiner som antingen rekryteras till eller är involverade i att bilda ER-mitokondriell MCS vid Parkinsons sjukdom: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -synuclein [325],PINK1 [327] och LRRK2 [329]. Dessa mutationer visade sig alla förändra kalciumjonöverföringen mellan organellerna, störa ER-mitokondriell MCS eller båda (se tabell 1). Det är viktigt att notera att Miro1 också rekryterar kinesin-1 till mitokondrier, och KIF5A-mutationer har visat sig påverka mitokondriell motilitet [362]. Vid Alzheimers sjukdom stör mutationer i preseniliner också kalciumjonhomeostas [335].

I det här fallet är det emellertid driften av ryanodinreceptorer (RyR) och inositol 1,4,5-trifosfatreceptorer (IP3R) som är dysreglerade, snarare än MCS [333,334,363]. Charcot Marie Tooth (CMT) sjukdom har också kopplats till mutationer i ER-mitokondrier MCS-bildande proteiner [303,306], även om ingen koppling har hittats mellan CMT och kalciumdynamik.

Dysregleringen av membrankontaktställen mellan ER och mitokondrier har också varit inblandad i andra icke-neurodegenerativa sjukdomar. Nedsatt insulinsignalering, ett kännetecken för diabetes, observeras i celler med mutationer i mitofusin 2 [308,309] och VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+-överföringskomplexet [310], båda varav binder ER och mitokondrier vid MCS.

Dessutom har många proteiner vid ER-mitokondriernas gränssnitt varit inblandade i olika cancerformer (granskas i [345]). Onormal mitokondriell fission vid ER-ER-mitokondriella MCS på grund av mutationer i dynaminrelaterat protein 1 leder också till toencefalopati [340]. Dessutom har ER-mitokondriella MCS:er kopplats till ALS-viamutationer i sigma-1-receptorn [300], som är involverad i Ca2+-homeostas vid MCS. Dessa MCS:er stördes i mutanta celler [302]. ALS-mutationer har också kopplats till förändrad Ca2+-dynamik vid ER-mitokondriella MCS. ALS-mutantformen av VAPB leder till en förändrad MCS med det yttre mitokondriella membranproteinet PTPIP51, vilket stör Ca2+upptaget vid dessa MCS [296].

Många andra ALS-mutationer påverkar ER-mitokondriella kontakter, såsom de i VAPB (se recensioner av Chen et al. och Borgese et al. i detta nummer [275 291]). Intracellulär kalciumhomeostas involverar också MCS mellan ER och plasmamembranet. Vid utarmning av ER-kalciumförråd överförs extracellulärt Ca2+ över plasmamembranet in i ER vid MCS via SOCE.

Det ER-residenta proteinet STIM1 och det plasmamembran-residenta proteinet Orai1 bildar ett komplex som underlättar SOCE (se avsnitt 2.2.4). Mutationer i endera eller båda dessa proteiner är kända för att orsaka tubulär aggregerad myopati (TAM) och det relaterade tillståndet Stormorkens syndrom viadysregulation av kalciumhomeostas [311–315]. Eftersom STIM1-bindning till EB-proteiner genererar TAC:er, kommer det att vara intressant att avgöra vilka effekter dessa mutationer har på TAC-baserad ER-tubuliförlängning. Patogena infektioner är också kopplade till ER-relaterade proteiner.

Patogener kapar ER i värdcellen för att främja deras replikation (recensat i [364,365]). För flera av dessa patogener har proteiner upptäckts som binder till ER-residenta proteiner för att bilda MCS. Dessa platser är avgörande för patogenreplikation.

Kända ER-interagerande patogener inkluderar Legionella pneumophila [352], Brommosaikvirus (BMV) [356], det icke-höljeförsedda polyomaviruset SV40 [206], enterovirus 71 [357], flavivirus som Zika-viruset [358] och Chlamydia trachomatis. Retikuloner riktas mot Legionella pneumophila via bindningen av Ceg9 [352], BMV via viralt protein 1a [356] och enterovirus 71 via enterovirus protein2C [357].

Patogenreplikation främjas av bindning av retikuloner i alla tre av dessa fall [351,356,357]. Legionella pneumophila interagerar också med atlastiner [352] för att främja replikation [351], liksom familjemedlemmarna för flavivirus: Denguevirus, Zika-virus och West Nile-virus [358]. Chlamydia trachomatis-proteiner binder till VAPA, VAPB [353] och CERT [354] för att bilda membrankontaktställen med ER.

Utarmning av CERT eller VAP-proteinerna minskade bakteriell replikation [354], vilket återigen visar att ER-patogenMCS är kritiska för patogenreplikation. Intressant nog har ER-membranformande proteiner också visat sig undertrycka viral replikation. Reticulon 3 visade sig binda till icke-strukturellt protein 4B (NS4B) från hepatit C-viruset [366]. Självoligomeriseringen av NS4B underlättar viral replikation [367].

Men när retikulon 3 är bundet förhindras självoligomerisering av NS4B, och därför undertrycks viral replikation [366]. SV40 går in i cytoplasman genom att penetrera genom ER-membranet med hjälp av ERAD-maskineriet [368], troligen i en expanderad perinukleär ERQC (avsnitt 2.2.1), och detta har föreslagits involvera kinesin-1-funktionen via bindning till B14, en ER-lokaliserat DNA-J-domäninnehållande membranprotein [206].

Sammanfattningsvis kan mutationer i enstaka proteiner ha katastrofala effekter på ER-morfologi, dynamik och MCS, vilket leder till kliniska patologier. I många fall är morfologi, dynamik och MCS nära kopplade, med mutationer som påverkar en av dessa tre attribut som ofta orsakar knock-on-effekter för de andra. Ny forskning om sjukdomsorsakande mutationer börjar betrakta ER-morfologi och dynamik som relaterade ämnen, i motsats till att se dem självständigt.

Framtida arbete inom detta område kommer sannolikt att ge insikter i sambandet mellan morfologi och dynamik samt hur ER-dynamiken är involverad i sjukdomar som är kända för att förändra morfologin.

5. Diskussion

Många proteiner som är ansvariga för att reglera ER-morfologi har identifierats och kopplingarna mellan morfologi och funktion blir nu tydliga. Vi har bara börjat kvantifiera ER-dynamiken och förstå vilken effekt dynamiken kan ha på de processer som utförs av organellen.

Mutationer i morfologireglerande proteiner har visat sig orsaka många mänskliga sjukdomar (tabell 1) och i många fall var strukturen hos ER onormal, vilket indikerar att morfologin, dynamiken och funktionen hos ER är i sig kopplade. Dynamik på akutmottagningen är också helt klart avgörande för att etablera och underhålla organisationen av akutmottagningen och dess många MCS. Återigen är de involverade proteinerna vanligtvis muterade vid sjukdom. En viktig utmaning för framtiden är att definiera rollerna som denna dynamik spelar och att särskilja bidraget från olika typer av rörlighet.

Detta kommer att kräva snabbare bildhastighetsavbildning som ofta har använts, eftersom mycket rörliga ER-tubuli och potentiellt interagerande organeller rör sig med hastigheter på upp till 5 µm/s och inte kan detekteras på ett tillförlitligt sätt vid bildtagning vid en bild var 1,5–5 s, vilket ofta har varit används (t.ex. [22,38,75,176,219]). Det är också viktigt att notera att cellinjen för att studera ER-dynamik, Cos-7-cellen, har en mycket mindre dynamisk ER än andra cellinjer [20].

Tillkomsten av superupplösningsmikroskopi av fasta och levande celler kommer att fortsätta att ge en mängd ny förståelse för ER-struktur och dynamik. Vi förväntar oss att med den senaste publiceringen av flera metoder för att analysera och kvantifiera ER-dynamiken, kommer fler kopplingar mellan dysreglerad ER-dynamik och sjukdom att upptäckas. Förhoppningsvis kommer dessa upptäckter att resultera i en ytterligare förståelse av den funktionella grunden för ER-rörelse. Framtiden för ER-dynamikforskning ser ljus ut!
Författarbidrag: HTP och VA skrev manuskriptet. Alla författare har läst och samtyckt till den publicerade versionen av manuskriptet.

Finansiering: HTP finansierades av en Ph.D. DTP-studentskap, bidragsnummer EP/N509565/1.

Utlåtande av institutionell granskningsnämnd: Ej tillämpligt.

Informerat samtycke: Ej tillämpligt.

Datatillgänglighet: Ej tillämpligt.

Tack: Den här recensionen har täckt ett mycket komplext ämne, och vi skulle vilja be om ursäkt till våra kollegor vars arbete vi inte kunde ta med.
Intressekonflikter: Författarna förklarar ingen intressekonflikt. Finansiärerna hade ingen roll i att skriva manuskriptet eller i beslutet att publicera resultaten.

Referenser

1. Valm, AM; Cohen, S.; Legant, WR; Melunis, J.; Hershberg, U.; Vänta, E.; Cohen, AR; Davidson, MW; Bettig, E.; Lippincott-Schwartz, J. Tillämpning av spektral avbildning och analys på systemnivå för att avslöja organellinteraktomen. Nature 2017, 546, 162–167.[CrossRef] [PubMed]

2. Voeltz, GK; Prinz, WA; Shibata, Y.; Rist, JM; Rapoport, TA En klass av membranproteiner som formar den tubulära endoplasmikretikeln. 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 endoplasmatiska retikulumet inducerar tubuli med hög krökning. 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 klass av dynamiska GTPaser involverade i genereringen av det tubulära ER-nätverket. 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 fusion av ER-membran kräver det dynaminliknande GTPaset Atlastin. Nature 2009, 460, 978–983. [CrossRef] 

6. Wang, S.; Tukachinsky, H.; Romano, FB; Rapoport, TA Samarbete mellan de ER-formande proteinerna atlastin, lunapark och reticulon för att generera ett rörformigt membrannätverk. Elife 2016, 5, 1–29. [CrossRef]

7. Engelska, AR; Voeltz, GK Rab10 GTPase reglerar ER-dynamik och 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 och aRab18 GEF-komplex krävs för normal ER-struktur. J. Cell Biol. 2014, 205, 707–720. [CrossRef]

9. Chen, S.; Novick, P.; Ferro-Novick, S. ER nätverksbildning kräver en balans mellan den dynaminliknande GTPase Sey1p och familjemedlemmen Lunapark Lnp1p. Nat. Cell Biol. 2012, 14, 707–716. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com