Преплетени и фино балансирани: Морфология, динамика, функция и заболявания на ендоплазмения ретикулум, част 5

3.1.2. MCS-медиирана ER динамика

В допълнение към разширението на тубулите, задвижвано от двигатели директно в ER мембраната, ERдинамиката може да бъде причинена от контактни места на ER мембрана с ранни и късни ендозоми, лизозоми и митохондрии [22,26,38,74,75,84–{{6} },204,219,220], които се движат по микротубулите.

Изследванията са установили, че киселинната хидролаза в лизозомите може да разгражда протеините и да ги превръща в аминокиселини, които могат да бъдат използвани от клетките за синтезиране на нови протеини. Този процес е важен за ученето и паметта, тъй като протеиновият синтез е тясно свързан с формирането на паметта.

В допълнение, лизозомите могат също така да поддържат клетките здрави, като разграждат погълнатите клетъчни отпадъци и вредни вещества и премахват отпадъците и токсините от клетките. Този процес също е критичен за защитата на оцеляването и функционирането на невроните. Невроните са нашите мозъчни клетки и играят жизненоважна роля в процеса на учене и памет. Ако невроните са засегнати от клетъчни отпадъци и вредни вещества, тяхната функция и способност за оцеляване ще бъдат сериозно компрометирани, засягайки формирането и задържането на паметта.

Следователно поддържането на функцията и здравето на лизозомите е от голямо значение за подобряване на паметта и защита на оцеляването и функционирането на невроните. Как да поддържаме функцията и здравето на лизозомите? На първо място, трябва да обърнем внимание на приема на хранителни вещества, особено на приема на важни хранителни вещества като протеини; второ, трябва да поддържаме достатъчно сън и упражнения; накрая, трябва да избягваме лошите жизнени навици като стоене до късно, за да намалим житейския стрес и физическото бреме.

В обобщение, връзката между лизозомите и паметта е много тясна. Като се фокусираме върху поддържането на лизозомната функция и здравето, можем да подобрим паметта и да защитим оцеляването и функцията на невроните, като по този начин насърчаваме здравето и развитието на тялото. Може да се види, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola има антиоксидантни, противовъзпалителни и анти-стареене ефекти, които могат да помогнат за намаляване на окисляването и възпалителните реакции в мозъка, като по този начин предпазват здраве на нервната система. В допълнение, Cistanche deserticola може също така да стимулира растежа и възстановяването на нервните клетки, като по този начин подобрява свързаността и функцията на невронните мрежи. Тези ефекти могат да помогнат за подобряване на паметта, способността за учене и скоростта на мислене и могат също така да предотвратят развитието на когнитивна дисфункция и невродегенеративни заболявания.

Кликнете върху Know, за да подобрите краткосрочната памет

Това е пример за процес, наричан „автостоп“, при който един органел осигурява мотора и задвижва движението на друг товар, който сам по себе си не е подвижен [38,221,222]. Ранната работа върху движението на ER тубулите идентифицира морфологично различни подвижни домени по върховете на някои движещи се ER тубули [182,191].

Въпреки това, има ясни доказателства от микроскопия с пропусната светлина и DiOC6 маркиране, че самите ER тубули могат да се транслокират директно по протежение на микротубулите, без да е необходимо пътуване на автостоп с друга органела [19,182,183,190].

Около половината от Rab5-позитивните ендозоми в Cos-7 клетките са прикрепени към ER по време на изобразяването [75] и когато се изобразяват при ниски кадрови честоти (1 кадър на 1,5 s), изглеждат по-малко подвижни от свързаните с ER лизозоми [219] и е по-малко вероятно да предизвика мобилност на ER тубулите [26].

Въпреки това, изображения на живо при бързи кадрови честоти, необходими за улавяне на бързо ранно движение на ендозоми, разкриха, че движещите се ендозоми могат да се преместят към ER тубул, да го грабнат и да продължат да се движат, издърпвайки ER тубул зад тях ([74]; Фигура 4).

Тъй като ранните ендозоми се движат предимно към клетъчния център, задвижвани от динеин [74,223], пътуването на автостоп върху ранните ендозоми може да обясни някои от динеин-зависимите ER тубулни разширения [20].

Как динеинът и кинезините се набират към ранните ендозоми и ролята на кинезин-1 в тяхното движение не е напълно разбрана. Скорошна работа предполага, че 30-50% от събитията на удължаване на тубулите на ER се движат от пътуване на автостоп по късните ендозоми/лизозоми движещи се по микротубулите, докато 40% от тубулите се движат по микротубулите независимо, а останалите са медиирани от TACs или odTACs (виж по-долу) [26,38,219].

Изненадващо, почти всички лизозоми бяха свързани и се движиха с ER мрежата [219]. Лизозомите, които са заснети преди, по време и след пътуване на автостоп, се наблюдават да забавят, когато са прикрепени към ER тубули [204,219], вероятно защото има по-малко съпротивление, противодействащо на силата, генерирана от лизозомните двигатели, когато не се разширява ER тубул.

Два ER-резидентни протеина, участващи в синтеза на фосфолипиди, PIS и CEPT1, за които преди това е доказано, че са в върховете на подвижните тубули заедно с Rab10 [7], бяха свързани с LE/лизозомни събития на стоп [26].

Отново, динеин и кинезин-1 са основните двигатели, задвижващи движението на късната ендозома/лизозома, и има множество начини, по които те се набират и контролират, някои от които включват взаимодействия с ER (прегледано в [128,129]). Dynein може да се набира чрез viaRILP и Rab7 (при наличие на високи нива на холестерол); ALG2 и TRPML1 (регулирани от PI(3,5)P2 и калций); или JIP4 и TMEM55B (промотирани от гладуване, което увеличава транскрипцията на TMEM55B чрез mTORC1) [128,129]. Кинезин-1 се набира от SKIP и Arl8 (регулиран от BORC), или FYCO1 и Rab7 (регулиран от PI(3)P и включващ протрудин в ER: вижте по-долу), и двете връзки са чрез KLCs [128,129].

Отворен въпрос е дали тези множество механизми функционират паралелно върху една и съща органела или дали има пространствена селекция (напр. върху специфични мембранни поддомейни), или превключване в зависимост от метаболитния статус или други входове.

Ако само 30–50% от ER тубулите се движат във връзка с късните ендозоми/лизозоми, колко важно е това ER автостоп за организацията на ER като цяло? Две скорошни проучвания показаха, че поне в Cos-7 клетките отговорът е - много.

Разрушаването на ER-късните ендозомиMCSs чрез RNAi-медиирано изчерпване на VAPA (което свързва ORP1L за закрепване на LE към ERvia Rab7: [128]) също нарушава морфологията на ER и намалява степента на ER тубулите и сложността на мрежата, особено в периферията [26,219], с нокдаунът на всички членове на семейството на ER VAP (VAPA, VAPB и MOSPD2), давайки по-силен фенотип [26].

В допълнение, манипулирането на двигателите, налични в късните ендозоми/лизозоми, предостави полезно средство за задействане на движение на ендозоми навътре или навън, което доведе до намаляване или увеличаване на периферните ER тубули [26,219] и динамиката на мрежата [26].

Интересното е, че изчерпването на SKIP или Arl8 причини големи промени в ER мрежата, което предполага, че това е основният път за набиране на кинезин-1 за този процес, а не протрудин/FYCO1 [219]. Протрудин, продуктът на гена ZFYVE27 , е многообхватен трансмембранен ER протеин, който има множество интерактори, както в ER, така и в късните ендозоми.

В ER той се свързва с ER оформящите протеини атластин, REEPs 1 и 5, ретикулони 1, 3 и 4 и също така взаимодейства с VAP чрез FFAT мотив ([224]; прегледано в [225]). Той може също да се свързва с късни ендозоми чрез своя Rab-свързващ домейн, който свързва Rab7-GTP, и FYVE(Fab-1, YGL023, Vps27 и EEA1) домейн, който се свързва с късния ендозомално обогатен фосфатидилинозитол 3-фосфат (PI3P) [204,225].

Най-важното е, че той също се свързва с всички членове на семейството на KIF5, въпреки че взаимодействието е най-силно с KIF5A [226], което е поразително, като се има предвид, че както протрудин, така и KIF5A (но не KIF5B или C) могат да причинят наследствена спастична параплегия, когато са мутирани (Таблица 1).

Свръхекспресията на двата протеина причинява образуването на изпъкналости в неполяризирани клетки [226], оттук и името на протрудина [225], докато медиираното от siRNA изчерпване води до разширяване на CLIMP63-белязаните листовидни региони в периферията на клетката [224]. Като се има предвид потенциалът на протрудина да се свързва с късния ендозом, Raiborg и колеги проучиха дали той участва във формирането на MCS и установиха, че това наистина е така [204].

Освен това, свръхекспресията на протрудин води до натрупване на късни ендозоми/лизозоми в клетъчната периферия, фенотип, който преди е бил наблюдаван за FYCO1, друг PI3Pand Rab7-свързващ протеин, и за който е установено, че взаимодейства с протрудин [204] .

Представянето на FYCO1 и протрудина в живи клетки разкри, че движещите се FYCO1-позитивни късни ендозоми взаимодействат с протрудина в спешното отделение, като спират или забавят, докато правят това, след което се отделят и се отдалечават по-бързо. Протрудинът свързва KIF5 и FYCO1 свързва KLC и експресията на протрудин увеличава количеството KIF5, намерено свързано с FYCO1, което води до модела, че кинезинът се предава от протрудин към FYCO1 върху късната ендозома по време на асоциирането на ER-късната ендозома, така че активира движението на късната ендозома, след като се счупят безплатно от спешното отделение.

Въпреки че този модел е привлекателен, е необходимо повече официално доказателство. Това, което е ясно обаче, е, че и протрудинът, и FYCO1 са важни за удължаването на аксона [129,195,204,227]. Протрудин и FYCO1-медиирана късна ендозома транслокация към клетъчната периферия също е доказано, че е важна за образуването на инвадоподия, където късните ендозоми доставят матриксната протеаза MT1-MMP за секреция, която е необходима за миграцията на ракови клетки [205 ].

Важно е, че късната позиция на ендозома/лизозома се контролира от хранителни статуси, като нива на холестерол и аминокиселини, които от своя страна регулират набирането или активността на динеин и кинезин-1 [128,129,228].

Наскоро беше доказано, че тази регулация има голямо въздействие върху ER динамиката и разпределението в клетката [26,219]. Серумът намалява до по-малко подвижна ER мрежа и намалява подвижността на късните ендозоми/лизозоми, което води до по-малко сложна ER мрежа в клетъчната периферия с по-малко тубулни връзки [26]. Лу и колегите откриха, че 4 часа серумно гладуване води до късно групиране на ендозоми/лизозоми и намаляване на дела на тубулния ER, както и обогатяването на холестерола [219].

Обратно, 24-часовото гладуване или изчерпването на холестерола предизвиква периферна локализация на ендозоми без ефект върху ER тубулите [219]. Медиираният от протрудин контактен път ER–ендозома/лизозома също се влияе от хранителния статус. Невронната изоформа на карнитин палмитоилтрансфераза 1, CPT1C, е isan ER протеин, който се регулира от нивата на малонил-CoA и мутира в HSP [228].

Скорошна работа разкри, че CPT1C е необходим за правилния растеж на невроните и контролира транспорта на късните ендозоми/лизозоми до върха на аксона и това изисква способността му да се свързва с малонил-CoA [228].

Той взаимодейства с протрудина и експресирането му в HeLa клетки увеличава дела на движещите се навън FYCO1-белязани късни ендозоми, ако присъства malonyl-CoA, но намалява движението до под контролните нива, ако malonyl-CoA е изчерпан.

Въпреки това, за разлика от протрудина, CPT1C присъства, но не е обогатен, при контактите на ER-лизозома, което предполага, че той регулира взаимодействието протрудин-FYCO1-кинезин-1, вместо да участва пряко. Авторите предполагат, че в присъствието на малонил-CoA, CPT1C насърчава прехвърлянето на кинезин-1 от протрудин към FYCO1 върху късните ендозоми/лизозоми, като по този начин насърчава тяхното движение навън в невроните [228].

Въпреки това, както бе споменато по-горе, този модел на трансфер на кинезин изисква допълнително тестване. Известно е, че митохондриите взаимодействат широко с ER в живи клетки [22], а подвижните митохондрии могат да разширят ER тубулите [22,38]. Свързаните с ER митохондрии са преференциално локализирани в ацетилирани микротубули [22], които са предпочитаната пътека за кинезин-1(напр. [229]), който е двигател както за митохондриите (напр. [230]), така и за спешна помощ

Вижда се също така, че митохондриите взаимодействат с лизозомите и движещата се лизозома може да издърпа тънка тубула от митохондрията [38]. Тъй като е установено, че подобни тънки тубули се простират от митохондриите в точките на контакт с ER чрез действието на KIF5B и неговия митохондриален рецептор Miro1 [230], това повдига въпроса дали PDZD8-индуцира трипосочни MCS между ER, късни ендозоми , а митохондриите могат да участват и в двата процеса.

Въпреки това, това сложно взаимодействие по същество обездвижи органелите [126].

MCS са жизненоважни за много аспекти на ER функцията, метаболизма и цялостната динамика. Това прави предизвикателство да се интерпретират промените, наблюдавани след експерименти, предназначени да нарушат един аспект на функцията на MCS.

Това е илюстрирано от експерименти, при които функцията на Rab7a, необходима за късна ендозома/лизозома MCS и участваща в набирането на кинезин-1 и динеин към ендозоми, е била нарушена. Изчерпването на Rab7a или експресията на блокиран от БВП Rab7a доведе до натрупване на CLIMP63-белязан листообразен ER в клетъчната периферия и активиране на ER реакцията на стрес [231].

Mateus et al. хипотезират, че структурните промени са причинени от ER стрес, а не от промени в динамиката на ER [231]. Наистина има много начини, по които стресът може да повлияе на MCS и ER (прегледано в [85]). Мониторингът на нивата на ER стрес ще бъде важен контрол в бъдещите проучвания (напр. [219]).

3.1.3. Независими от двигателя ER-микротубулни взаимодействия

От ранните проучвания беше ясно, че съществуват три вида взаимодействия ER-микротубули: моторно задвижвано преместване на ER тубули, статични взаимодействия и прикрепване на ERтубули към нарастващи върхове на микротубули [23].

Последното взаимодействие задвижва удължаването на тубулите чрез образуването на „комплекси за прикрепване на върховете“ или TACs, забелязани за първи път в екстракти от яйца на Xenopus [232]. В различни култивирани клетки се наблюдава, че моторно задвижваното плъзгане преобладава над TAC и статичните взаимодействия между ER тубулите върхове и микротубули [20, 21, 23, 38], въпреки че процентът се различава между видовете клетки [21].

TACs се състоят от трансмембранния ER протеинSTIM1 (стромална взаимодействаща молекула 1), който взаимодейства с МТ плюс-крайния проследяващ протеин EB1 [21]. STIM1 взаимодейства с Orai1 на плазмената мембрана при изчерпване на запасите от ERкалций, за да позволи трансфер на калций извън клетката в ER (вижте раздел 2.2.5). Интересното е, че задействането на този процес предотврати проследяването на върха на STIM1 [21].

Въпреки че наличието на TAC не промени скоростта на растеж и свиване на микротубулите, то намали вероятността микротубулите да претърпят катастрофа (да започнат да деполимеризират) [232]. ERтубулите могат също да бъдат разширени чрез прикрепване към деполимеризираща микротубула чрез dTAC [38]; съставът на ER dTACs не е известен. Защо има два метода за транспортиране на ER към клетъчната периферия?

В случая на ембриони на Xenopus, въпреки че кинезин-1 присъства в ER, той не е активен до по-късно развитие [187]. Вместо това, ER мрежата се разпространява в цитоплазмата чрез комбинираната активност на динеин, който я изтегля към ядрото и центрозомата, и TAC, която я разширява навън, докато микротубулите се полимеризират [184]. В култивираните клетки TAC биха гарантирали, че ER достига точно до ръба на клетката.

Обратно, предпочитанието на кинезин-1 за стабилни микротубули като следи, може би защото те имат по-малко MAP7, свързан към тяхната повърхност, означава, че той се премества слабо до края на новополимеризирани микротубули [229].

Важна роля за медиираната от STIM{0}}EB1- локализация на ER е демонстрирана в конуси на растеж на неврони, където STIM1 е ​​необходим за ориентацията на микротубулите и ER, което е от съществено значение за придвижването на конуса на растеж към градиент на растежен фактор [ 233].

For more information:1950477648nn@gmail.com