Entrellaçats i finament equilibrats: morfologia, dinàmica, funció i malalties del reticle endoplasmàtic Part 7

3.4. Anàlisi Computacional de la Dinàmica ER

L'anàlisi de la dinàmica de l'ER in vivo és un repte a causa de la seva complexa morfologia i dinàmica ràpida, així com la fototoxicitat dels experiments de microscòpia de fluorescència. El modelatge matemàtic de la xarxa és una oportunitat per obtenir més informació sobre aquest sistema complex des d'un punt de vista diferent.

Les formes complexes tendeixen a impressionar i fins i tot despertar un gran interès. Tanmateix, si aquests gràfics, text o altres formes són fàcils de recordar és una qüestió que val la pena explorar.

En termes generals, les formes complexes requereixen més memòria per recordar. Per exemple, una fórmula matemàtica complexa, un patró complex o una contrasenya complexa requereix que dediquem més temps i esforç per recordar-ho. Tanmateix, això no vol dir que les formes complexes hagin de ser difícils de recordar.

Al contrari, si ens enfrontem activament a formes complexes i adoptem el mètode de memòria correcte, llavors les podem recordar fàcilment. Per exemple, quan volem memoritzar una fórmula complexa, podem utilitzar el mètode de "memòria pas a pas", és a dir, primer descompondre la fórmula en unitats més petites, memoritzar cada unitat i, finalment, empalmar aquestes unitats.

A més, podem utilitzar diverses tècniques de memòria per ajudar-nos a recordar formes complexes. Per exemple, construir associacions per connectar la forma amb coses que ja estem familiaritzats enforteix la memòria. O bé, podem utilitzar mnemotècniques d'imatge per convertir les formes en imatges, cosa que fa que sigui més fàcil de recordar.

En resum, les formes complexes no volen dir que siguin difícils de recordar. Mentre els afrontem de la manera correcta i mantenim una actitud positiva, els podem recordar fàcilment. Amb aquests esforços, no només podem recordar millor les formes complexes, sinó també millorar la nostra memòria i convertir-nos en millors versions de nosaltres mateixos. Es pot veure que hem de millorar la memòria, i Cistanche deserticola pot millorar significativament la memòria perquè Cistanche deserticola és un material medicinal tradicional xinès que té molts efectes únics, un dels quals és millorar la memòria. L'eficàcia de Cistanche deserticola prové dels múltiples ingredients actius que conté, com l'àcid tànic, polisacàrids, glicòsids flavonoides, etc. Aquests ingredients poden promoure la salut del cervell a través de diverses vies.

Feu clic a Coneix 10 maneres de millorar la memòria

Els túbuls ER es poden considerar polímers semiflexibles, amb les unions representades per enllaços creuats. Recentment, molts grups han modelat la dinàmica d'aquestes xarxes entrecreuades de polímers semiflexibles [263–266], incloses les influïdes per forces actives com els motors moleculars [267–270]. Aquests models poden proporcionar informació sobre la dinàmica de la xarxa ER simplificant el sistema i només tenint en compte les interaccions amb els microtúbuls.

Un estudi recent que modela el moviment d'una partícula envoltada d'una xarxa de polímers semiflexibles pot proporcionar informació sobre la raó funcional de les reordenacions actives de l'ER. Gong et al. [270] va trobar que la difusió d'una partícula incrustada en una xarxa de polímers semiflexibles es va millorar amb la presència de motors actius.

La difusió de partícules en una xarxa amb motors actius era superdifusa, mentre que, sense motors actius, es va observar una subdifusió. Una possible explicació donada per a aquest moviment millorat va ser el major nombre de col·lisions entre la partícula i la xarxa en presència de motors actius.

Aquest resultat pot relacionar-se amb la dinàmica de les partícules del lumen de l'ER. Les fluctuacions en els túbuls i les làmines de la xarxa poden induir una dinàmica més ràpida de les partícules dins del lumen a causa de col·lisions més freqüents amb la cara lumenal de la bicapa lipídica.

També s'ha demostrat que certs aspectes de la morfologia i la dinàmica de l'ER de les plantes es poden replicar considerant l'ER com una xarxa mínima [271-273], on els punts es connecten utilitzant la longitud mínima de túbuls possible. Aquest model recrea amb precisió aspectes de la morfologia i la dinàmica de l'ER. L'estructura de les regions tubulars de la xarxa es recrea amb precisió, així com la dinàmica del tancament de l'anell.

Aquest enfocament, però, encara no és capaç de relacionar la dinàmica de reordenació ràpida de la xarxa trobada utilitzant el model amb les observades experimentalment [273]. El moviment de les partícules lumenals també s'ha simulat recentment.

Un model que descriu la dinàmica de les partícules dins del lumen de l'ER a la recerca de socis de reacció va concloure que les propietats morfològiques de la xarxa són els factors més influents que determinen els temps d'exploració de les molècules [274].

Les millores futures en les dades d'imatge, així com en els models utilitzats per representar la xarxa d'ER, donaran lloc a millores tant en les conclusions dels models computacionals com en els fluxos de treball per a l'anàlisi de dades experimentals.

Recentment, diversos grups han llançat programari de codi obert dissenyat per extreure variables dinàmiques de vídeos de l'ER en cèl·lules vives [24,27]. Aquests mètodes per quantificar la morfologia i la dinàmica de la xarxa ER són essencials per avançar en la nostra comprensió d'aquest orgànul.

Analitzar els canvis de dinàmica i morfologia en diverses condicions cel·lularsdonar llum sobre la raó subjacent de la dinàmica d'ER i la dinàmica alterada pot conduir a patologies clíniques.

4. Morfologia, Dinàmica i Malaltia

No és d'estranyar que un orgànul com l'ER, amb les seves funcions crítiques i diverses, estigui implicat en moltes malalties. Per tant, és probable que la desregulació de la morfologia i la distribució dels subdominis funcionals de l'ER (tal com es descriu a la secció 2.2) afecti la seva funció i pugui provocar estats de malaltia, especialment a les neurones [32].

Se sap que moltes proteïnes que regulen la morfologia de l'ER estan mutades en malalties humanes [227]. La mala comunicació entre l'ER i els mitocondris també s'ha identificat com a contribuïdor a moltes malalties, ja sigui mitjançant la desregulació de la transferència d'ions calci, la senyalització d'insulina o la divisió mitocondrial.

Les interaccions entre l'ER i els endosomes/lisosomes són igualment vitals per a la funció cel·lular normal, amb problemes particulars que es veuen a les neurones quan es muten les proteïnes implicades en aquestes interaccions [195,227].

A més, molts organismes que donen lloc a infeccions patògenes depenen de la maquinària d'ER per a la seva replicació o entrada a la cèl·lula. A la taula 1 es resumeixen les proteïnes millor caracteritzades implicades tant en les malalties com en el manteniment de l'ER.

Un altre factor important en moltes malalties, especialment les cardiovasculars, és l'estrès del ER. Els MCS es veuen afectats per molts altres tipus d'estrès [85,275] i, per tant, és probable que això sigui un factor important en la malaltia. Es necessita més treball per explorar completament la interacció entre la morfologia de l'ER i l'estrès ER. Recentment es van revisar els enllaços entre l'estrès excessiu de l'ER, l'activació de la UPR i l'aparició de malalties [276–278], però no s'aborden aquí.

Les proteïnes que regulen la morfologia de l'ER estan implicades en moltes malalties, inclosos múltiples trastorns neurodegeneratius (vegeu [227] per a una revisió excel·lent i exhaustiva). Se sap que les atlastines, una família de proteïnes que medien la fusió dels túbuls ER a la xarxa [4,348], estan mutades en la paraplegia espàstica hereditària (HSP) [285] i la neuropatia sensorial i autònoma hereditària (HSAN) [346,347].

Les REEP i la protrudina, que se sap que estabilitzen regions d'alta curvatura de membrana a l'ER [2,281], també estan mutades en algunes formes de HSP [280,286], cosa que suggereix que la morfologia anormal de l'ER té un paper en la malaltia. es veuen freqüentment a les neurones [70] i són de vital importància donat que solen ser afectades per mutacions que causen malalties (Taula 1; [227]). Les mutacions de protrudina poden afectar la distribució de l'ER als axons, a causa de les seves interaccions amb la cinesina -1 i el seu paper en la generació de MCS de l'endosoma tardà dels túbuls ER mòbils [205].
Aquesta funció és vital per a una extensió eficient de neurites [129,195,204,227]. Les mutacions en KIF5 podrien afectar aquesta via. La interrupció de les interaccions ER-endosòmals també afecta la classificació endosòmica i condueix a defectes lisosomals (Secció 2.2.6 i 3.1.2), i això es relaciona amb freqüència amb malalties com HSP i ALS (Taula 1), on pot ser causat per mutacions en l'espastina. , strumpelin, REEP1 [177] i VAPB, tal com es descriu en un altre lloc d'aquest número especial [291].

Les mutacions en proteïnes que regulen la morfologia i la dinàmica de l'ER també s'han associat amb l'esclerosi lateral amiotròfica (ELA), la malaltia d'Alzheimer, la microsíndrome de Warburg i l'atàxia espinocerebel·losa tipus 2.

Els reticulons 3 i 4 estan mutats a la malaltia d'Alzheimer [336] i ALS [299], respectivament. Els reticulons regulen la curvatura de la membrana ER [2] i la seva mutació a l'ELA canvia la distribució de proteïnes de chaperona dins de l'ER [299] i, per tant, és probable que afecti negativament la funció ER. Recentment, Mookherjeeet al. va descobrir que l'agregació de proteïnes al citoplasma, un segell comú de les malalties neurodegeneratives, afecta tant la morfologia com la dinàmica de l'ER [359].

Es va trobar que el reticuló 4 s'uneix als agregats citoplasmàtics, cosa que pot ser la causa de l'estructura ER anormal observada. Es van observar menys unions de tres vies, una dinàmica lumenal més lenta i una eficiència de fusió de túbuls deteriorada a les cèl·lules amb agregats de proteïnes.

Per tant, les proteïnes reguladores de la morfologia no només tenen un paper en l'aparició de la malaltia, sinó que també poden influir en els processos cel·lulars una vegada que la malaltia ha progressat.

La síndrome de Warburg Micro, un trastorn rar que provoca defectes del neurodesenvolupament, pot ser causada per mutacions a Rab18 [29]. Rab18 està implicat en diversos processos relacionats amb ER, inclosa la regulació de la MCS de gotes de lípids ER que impliquen el complex NRZ i les proteïnes SNARE [343,360] (però no en totes les condicions [8]) i el manteniment de la morfologia normal de l'ER [8]. Com es descriu a la secció 3.1.1, recentment també s'ha demostrat que Rab18 promou el transport de túbuls ER anterògrads mitjançant la seva interacció amb la kinectina-1 [198] i, d'acord amb aquest resultat, les regions tubulars dinàmiques de la xarxa estaven absents a les cèl·lules esgotades de Rab18 [8].

S'observa una relació similar entre les proteïnes que regulen la morfologia, la dinàmica ER i la malaltia amb l'ataxina-2 a l'atàxia espinocerebel·losa tipus 2 (SCA2). Se sap que les mutacions a l'ataxina-2 causen SCA2 [350]. L'esgotament de l'ataxina -2 va augmentar la proporció de làmines a la xarxa d'ER i va dificultar la dinàmica tant tubular com lumenal [28]. La translocació unidireccional i a llarga distància dels túbuls es va reduir i els experiments FRAP van demostrar que el transport dels components lumenals era molt més lent en absència d'ataxina -2 [28].

Les mutacions en Rab18 i ataxina-2, proteïnes conegudes per tenir un paper en l'extensió dels túbuls ER, causen defectes en la morfologia tubular i la dinàmica. Al costat de les proteïnes que formen la membrana i les proteïnes implicades en els MCS de l'endosoma/lisosoma ER, un altre La causa probable de les malalties és la mala comunicació entre l'ER i els mitocondris. Els MCS ER-mitocondris són llocs importants de transferència d'ions Ca2+ [275]. La alteració de l'homeòstasi del calci va ser proposada per primera vegada com a possible causa de malalties neurodegeneratives per Khachaturian el 1994 [361].

Des d'aleshores, les mutacions en moltes proteïnes que regulen l'ER-mitocondri MCS han estat implicades en malalties humanes. S'han trobat mutacions en sis proteïnes que es recluten o estan implicades en la formació de MCS mitocondrials ER a la malaltia de Parkinson: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -sinucleïna [325], PINK1 [327] i LRRK2 [329]. Es va trobar que totes aquestes mutacions alteraven la transferència d'ions de calci entre els orgànuls, interrompien el MCS ER-mitocondrial o ambdues (vegeu la taula 1). És important tenir en compte que Miro1 també recluta kinesina-1 als mitocondris, i s'ha demostrat que les mutacions de KIF5A afecten la motilitat mitocondrial [362]. En la malaltia d'Alzheimer, les mutacions en presenilines també pertorben l'homeòstasi dels ions calci [335].

En aquest cas, però, és el funcionament dels receptors de rianodina (RyR) i els receptors d'inositol 1,4,5-trifosfat (IP3R) els que estan desregulats, més que els MCS [333,334,363]. La malaltia de Charcot Marie Tooth (CMT) també s'ha relacionat amb mutacions en proteïnes formadores de MCS de mitocondris ER [303,306], tot i que no s'ha trobat cap vincle entre la CMT i la dinàmica del calci.

La desregulació dels llocs de contacte de la membrana entre l'ER i els mitocondris també s'ha implicat en altres malalties no neurodegeneratives. S'observa alteració de la senyalització d'insulina, un segell distintiu de la diabetis, a les cèl·lules amb mutacions a la mitofusina 2 [308.309] i al complex de transferència VDAC-1/grp75/IP3R{-1 Ca2+ [310], ambdues dels quals lliguen l'ER i els mitocondris als MCS.

A més, moltes proteïnes a la interfície ER-mitocondria han estat implicades en diversos càncers (revisat a [345]). Els MCS mitocondrials ER-ER de fissió mitocondrial anormals a causa de mutacions en la proteïna 1 relacionada amb la dinamina també condueixen a la toencefalopatia [340]. A més, els MCS ER-mitocondrials s'han relacionat amb mutacions d'ALS al receptor sigma-1 [300], que està implicat en l'homeòstasi de Ca2+ als MCS. Aquests MCS es van interrompre a les cèl·lules mutants [302]. Les mutacions d'ALS també s'han relacionat amb la dinàmica de Ca2+ alterada als MCS mitocondrials ER. La forma mutant d'ALS de VAPB condueix a un MCS alterat amb la proteïna de la membrana mitocondrial externa PTPIP51, pertorbant l'absorció de Ca2+ en aquests MCS [296].

Moltes altres mutacions de l'ELA afecten els contactes ER-mitocondrials, com els de VAPB (vegeu les revisions de Chen et al. i Borgese et al. en aquest número [275,291]). L'homeòstasi del calci intracel·lular també implica MCS entre l'ER i la membrana plasmàtica. Quan s'esgoten els dipòsits de calci de l'ER, el Ca2+ extracel·lular es transfereix a través de la membrana plasmàtica a l'ER a MCS mitjançant SOCE.

La proteïna resident a l'ER STIM1 i la proteïna resident a la membrana plasmàtica Orai1 formen un complex que facilita el SOCE (vegeu la secció 2.2.4). Se sap que les mutacions en una o ambdues proteïnes causen miopatia agregada tubular (TAM) i la malaltia relacionada amb la síndrome de Stormorken via desregulació de l'homeòstasi del calci [311-315]. Atès que la unió STIM1 a proteïnes EB genera TAC, serà interessant determinar els efectes que aquestes mutacions tenen sobre l'extensió del túbul ER basada en TAC. Les infeccions patògenes també estan relacionades amb proteïnes relacionades amb ER.

Els patògens segresten l'ER a la cèl·lula hoste per afavorir la seva replicació (revisat a [364,365]). Per a diversos d'aquests patògens, s'han descobert proteïnes que s'uneixen a proteïnes residents en ER per formar MCS. Aquests llocs són crucials per a la replicació dels patògens.

Els patògens coneguts que interaccionen amb ER inclouen Legionella pneumophila [352], Brome mosaic virus (BMV) [356], el poliomavirus no embolicat SV40 [206], l'enterovirus 71 [357], flavivirus com el virus Zika [358] i la clamídia trachomatis. Els reticulons estan dirigits per Legionella pneumophila mitjançant la unió de Ceg9 [352], BMV mitjançant la proteïna viral 1a [356] i l'enterovirus 71 mitjançant la proteïna d'enterovirus 2C [357].

La replicació del patògen es promou per la unió de reticulons en aquests tres casos [351,356,357]. La Legionella pneumophila també interacciona amb les atlastines [352] per promoure la replicació [351], igual que els membres de la família dels flavivirus: virus del dengue, virus del Zika i virus del Nil Occidental [358]. Les proteïnes de Chlamydia trachomatis s'uneixen a VAPA, VAPB [353] i CERT [354] per formar llocs de contacte de membrana amb l'ER.

L'esgotament de CERT o de les proteïnes VAP va disminuir la replicació bacteriana [354], demostrant una vegada més que els MCS del patogen ER són crítics per a la replicació del patògen. Curiosament, també s'ha trobat que les proteïnes que formen la membrana ER suprimeixen la replicació viral. Es va trobar que el reticuló 3 s'uneix a la proteïna no estructural 4B (NS4B) del virus de l'hepatitis C [366]. L'autooligomerització de NS4B facilita la replicació viral [367].

Tanmateix, quan s'uneix el reticuló 3, s'impedeix l'autooligomerització de NS4B i, per tant, la replicació viral es suprimeix [366]. SV40 entra al citoplasma penetrant a través de la membrana ER mitjançant la maquinària ERAD [368], molt probablement en un ERQC perinuclear expandit (secció 2.2.1), i s'ha suggerit que això implica la funció de cinesina-1 mitjançant la unió a B14, un Proteïna de membrana que conté el domini DNA-J localitzat en ER [206].

En resum, les mutacions en proteïnes individuals poden tenir efectes catastròfics sobre la morfologia, la dinàmica i els MCS de l'ER, donant lloc a patologies clíniques. En molts casos, la morfologia, la dinàmica i els MCS estan estretament relacionats, amb mutacions que afecten un d'aquests tres atributs sovint causant efectes secundaris per als altres. Les investigacions recents sobre mutacions que causen malalties estan començant a considerar la morfologia i la dinàmica de l'ER com a temes relacionats, en lloc de veure'ls de manera independent.

El treball futur en aquesta àrea és probable que proporcioni informació sobre la relació entre la morfologia i la dinàmica, així com com la dinàmica d'ER està implicada en malalties que se sap que alteren la morfologia.

5. Discussió

S'han identificat moltes proteïnes responsables de la regulació de la morfologia de l'ER i els vincles entre morfologia i funció s'estan posant de manifest. Tot just comencem a quantificar la dinàmica ER i a entendre quin efecte pot tenir la dinàmica en els processos realitzats per l'orgànul.

S'ha trobat que les mutacions en proteïnes que regulen la morfologia causen moltes malalties humanes (taula 1) i, en molts casos, l'estructura de l'ER era anormal, cosa que indica que la morfologia, la dinàmica i la funció de l'ER estan intrínsecament vinculades. Les dinàmiques d'ER també són clarament de vital importància per establir i mantenir l'organització de l'ER i els seus nombrosos MCS. De nou, les proteïnes implicades solen mutar en la malaltia. Un repte clau per al futur és definir els rols que juguen aquestes dinàmiques i separar l'aportació de diferents tipus de motilitat.

Això necessitarà una imatge de velocitat de fotogrames més ràpida que s'ha utilitzat habitualment, ja que els túbuls ER altament mòbils i els orgànuls potencialment interactius es mouen a velocitats de fins a 5 µm/s, i no es poden detectar de manera fiable quan es prenen imatges en un fotograma cada 1,5–5 s, com s'ha fet habitualment. utilitzat (p. ex., [22,38,75,176,219]). També és important tenir en compte que la línia cel·lular de referència per estudiar la dinàmica ER, la cèl·lula Cos-7, té un ER molt menys dinàmic que altres línies cel·lulars [20].

L'arribada de la microscòpia de super-resolució de cèl·lules fixes i vives continuarà aportant una gran quantitat de noves comprensió de l'estructura i la dinàmica de l'ER. Esperem que amb la publicació recent de diversos mètodes per analitzar i quantificar la dinàmica ER, es descobriran més vincles entre la dinàmica ER desregulada i la malaltia. Tant de bo, aquests descobriments donaran com a resultat una millor comprensió de la base funcional del moviment ER. El futur de la investigació de la dinàmica d'ER sembla brillant!
Contribucions de l'autor: HTP i VA van escriure el manuscrit. Tots els autors han llegit i acceptat la versió publicada del manuscrit.

Finançament: HTP va ser finançat per un doctorat del Consell d'Investigació en Enginyeria i Física. Beca DTP, número de beca EP/N509565/1.

Declaració de la Junta de Revisió Institucional: No aplicable.

Declaració de consentiment informat: no aplicable.

Declaració de disponibilitat de dades: no aplicable.

Agraïments: aquesta revisió ha tractat un tema molt complex i ens agradaria demanar disculpes als nostres companys el treball dels quals no hem pogut incloure.
Conflictes d'interessos: els autors declaren no conflicte d'interessos. Els finançadors no van tenir cap paper en l'escriptura del manuscrit o en la decisió de publicar els resultats.

Referències

1. Valm, AM; Cohen, S.; Legant, WR; Melunis, J.; Hershberg, Estats Units; Espera, E.; Cohen, AR; Davidson, MW; Betzig, E.; Lippincott-Schwartz, J. Aplicació d'imatges i anàlisis espectrals a nivell de sistemes per revelar l'interactòma d'orgànuls. Nature 2017, 546, 162–167.[CrossRef] [PubMed]

2. Voeltz, GK; Prinz, WA; Shibata, Y.; Rist, JM; Rapoport, TA Una classe de proteïnes de membrana que configuren l'endoplasmicreticle tubular. Cèl·lula 2006, 124, 573–586. [Ref creuat]

3. Hu, J.; Shibata, Y.; Voss, C.; Shemesh, T.; Li, Z.; Coughlin, M.; Kozlov, MM; Rapoport, TA; Prinz, WA Les proteïnes de membrana del reticle endoplasmàtic indueixen túbuls d'alta curvatura. Ciència 2008, 319, 1247–1250. [CrossRef] [PubMed]

4. Hu, J.; Shibata, Y.; Zhu, PP; Voss, C.; Rismanchi, N.; Prinz, WA; Rapoport, TA; Blackstone, C. Una classe de GTPases semblants a la dinàmica implicades en la generació de la xarxa d'ER tubular. Cel·la 2009, 138, 549–561. [Ref creuat]

5. Orso, G.; Pendin, D.; Liu, S.; Tosetto, J.; Moss, TJ; Faust, JE; Micaroni, M.; Egorova, A.; Martinuzzi, A.; McNew, JA; et al. La fusió homotípica de membranes ER requereix la GTPasa Atlastina semblant a la dinamina. Natura 2009, 460, 978–983. [Ref creuat] 

6. Wang, S.; Tukachinsky, H.; Romano, FB; Rapoport, TA Cooperació de les proteïnes que formen ER atlastina, lunapark i reticulons per generar una xarxa de membrana tubular. Elife 2016, 5, 1–29. [Ref creuat]

7. Anglès, AR; Voeltz, GK Rab10 GTPase regula la dinàmica i la morfologia de l'ER. Nat. Biol cel·lular. 2013, 15, 169–178.[CrossRef] [PubMed]

8. Gerondopoulos, A.; Bastos, RN; Yoshimura, SI; Anderson, R.; Carpanini, S.; Aligianis, I.; Handley, MT; Barr, FA Rab18 i aRab18 GEF complex són necessaris per a l'estructura ER normal. J. Cell Biol. 2014, 205, 707–720. [Ref creuat]

9. Chen, S.; Novick, P.; La formació de la xarxa Ferro-Novick, S. ER requereix un equilibri entre la GTPasa Sey1p semblant a la dinamina i el membre de la família Lunapark Lnp1p. Nat. Biol cel·lular. 2012, 14, 707–716. [Ref creuat]

For more information:1950477648nn@gmail.com