Met elkaar verweven en fijn uitgebalanceerd: morfologie, dynamiek, functie en ziekten van het endoplasmatisch reticulum, deel 6

Het ER kan zich ook statisch hechten aan microtubuli, via tubuluspunten of kruispunten, of langs de lengte van de tubulus [187,232]. Statische verbindingen tussen het ER en microtubuli kunnen worden gevormd door de eerder genoemde eiwitten CLIMP-63 [15], p180 [16,194], REEP1 [17] en Sec61 [234].

Eiwit is een van de belangrijke voedingsstoffen die nodig zijn voor ons lichaam. Het helpt ons de weefselstructuur van het lichaam op te bouwen en te onderhouden, enzymen en hormonen te synthetiseren, enz. Maar wat u misschien niet weet, is dat het ook erg belangrijk is voor ons geheugen.

Eiwitten zijn de basiseenheden waaruit neuronen en neurotransmitters bestaan, die sleutelstructuren in onze hersenen zijn voor informatieoverdracht en geheugenopslag. Daarom spelen eiwitten een cruciale rol in de hersenen.

Veel onderzoeken tonen aan dat het eten van voldoende eiwitten ons geheugen kan verbeteren, onze focus en concentratie kan vergroten en ons kan helpen informatie beter te gebruiken en te verwerken.

Eiwitten kunnen ook onze stemming en emoties beïnvloeden. In onze hersenen kunnen eiwitten ons gevoel van plezier en emotionele balans vergroten door neurotransmitters zoals dopamine en noradrenaline te produceren.

Bovendien kunnen eiwitten ons helpen een gezond lichaam te behouden en onze stofwisseling en de ziekteresistentie van het lichaam te verbeteren, waardoor we ervoor kunnen zorgen dat we ons beter kunnen concentreren en informatie kunnen verwerken.

Over het algemeen zijn eiwitten zeer nauw verwant aan het geheugen, de stemming en andere aspecten. Daarom moeten we aandacht besteden aan het verhogen van de eiwitinname om ervoor te zorgen dat ons lichaam en onze hersenen voldoende ondersteuning en bescherming kunnen krijgen, zodat we onze intelligentie en talenten beter kunnen benutten. Het is duidelijk dat we het geheugen moeten verbeteren, en Cistanche deserticola kan het geheugen aanzienlijk verbeteren, omdat Cistanche deserticola ook de balans van neurotransmitters kan reguleren, zoals het verhogen van de niveaus van acetylcholine en groeifactoren. Deze stoffen zijn erg belangrijk voor het geheugen en het leren. Bovendien kan Cistanche deserticola ook de bloedstroom verbeteren en de zuurstoftoevoer bevorderen, wat ervoor kan zorgen dat de hersenen voldoende voedingsstoffen en energie ontvangen, waardoor de vitaliteit en het uithoudingsvermogen van de hersenen worden verbeterd.

Klik op supplementen kennen om het geheugen te verbeteren

Er wordt verondersteld dat deze verbindingen de spanning en positionering van het ER-netwerk reguleren [235]. Het is ook mogelijk dat ER-hechting microtubuli kan stabiliseren, zoals is gezien voor p180 in axonen [194].
Eén probleem bij het beoordelen hiervan is dat overexpressie van een microtubuli-bindend eiwit stabilisatie kan veroorzaken (bijv. [16.234]) die mogelijk niet wordt waargenomen op endogene niveaus. Deze potentiële wederkerigheid tussen ER-tubuli en microtubuli zal echter belangrijk zijn om in de toekomst in overweging te nemen, niet in de laatste plaats omdat gestabiliseerde microtubuli ideale sporen zouden zijn voor kinesine-1 transport van andere ER-tubuli.

3.1.4. ER-interacties met het actine-cytoskelet

In dierlijke cellen spelen microtubuli de dominante rol bij het hermodelleren van het ER via de verrassend gevarieerde mechanismen die hierboven zijn beschreven, terwijl in planten, algen en sommige schimmels de op actine gebaseerde motiliteit van cruciaal belang is (besproken in [236]).

Cytoplasmatische stroming, de myosine-aangedreven directionele stroming van het cytoplasma, speelt ook een rol in de ER-dynamiek van plantencellen [237,238]. Interessant genoeg is een nieuw ER en microtubuli-geassocieerd compartiment (EMAC) geïdentificeerd in planten die verankerd zijn op microtubuli, waardoor weerstand bieden aan deze stroom [239]. Op soortgelijke wijze is ook waargenomen dat stabiele buisvormige ER-verbindingen met microtubuli associëren [240].

Een verrassende noodzaak om het ER te verankeren is ook waargenomen bij C. elegans-nematoden, waarbij het verlies van een ER en op de kernenvelop gelokaliseerde nesprine, ANC-1, leidt tot een ongecontroleerde stroom van de ER-, mitochondria- en lipidendruppeltjes als gevolg van krachten gegenereerd als de wormcrawls [241]. Het is echter nog niet duidelijk aan welke cytoskeletcomponent ANC-1 zich bindt.

In dierlijke cellen kan de myosine-V-aangedreven ER-motiliteit bijdragen aan ER-beweging over korte afstand (bijv. [211,242]). Bovendien kunnen filamine-eiwitten het ER aan actine binden in embryonale fibroblasten van muizen [243] en kunnen interacties tussen het ER en actinefilamenten via myosin1c de vellen stabiliseren [188].

De mate waarin het ER-netwerk afhankelijk is van het actine-cytoskelet verschilt per celtype, omdat het depolymeriseren van actinefilamenten met cytochalasine weinig effect had op de distributie van het ER-netwerk in VERO-cellen [20], terwijl in de epitheelachtige cellijn Huh-7, actine-depolymerisatie resulteerde in kleinere, minder overvloedige ER-vellen aan de celperiferie en onregelmatige ER-positionering, waarbij grote delen van de cellen verstoken waren van het organel [188].

Bovendien wordt, wanneer microtubuli worden gedepolymeriseerd, een langzame, actine-afhankelijke terugtrekking van het ER naar het celcentrum waargenomen in sommige [23,186,244] maar niet alle [20]gekweekte celtypen, wat aantoont dat ER-actine-interacties de ER-morfologie beïnvloeden. Beeldvorming met levende cellen met resolutie heeft microtubuli-onafhankelijke ERtubuli-extensie onthuld [38], wat heel goed te wijten kan zijn aan op actine gebaseerde motiliteit.

3.2. Netwerkfluctuaties

De tubuli, verbindingen en lagen waaruit het endoplasmatisch reticulum bestaat, fluctueren in de loop van de tijd. Zelfs de gevestigde elementen van het netwerk die niet actief worden herschikt, zijn niet stationair, maar oscilleren eerder rond een positie. Gezien de complexe morfologie en snelle dynamiek van het ER is het kwantificeren van ER-beweging een actuele uitdaging in het veld. Een algemeen aanvaarde maatstaf voor de dynamiek is de gemiddelde kwadratische verplaatsing (MSD).

De MSD is een maatstaf voor de afstand die een object naar verwachting in een bepaalde tijd zal afleggen. Om de MSD te berekenen, wordt eerst het verschil in positie tussen het object op een aanvankelijk tijdstip en het object op een later tijdstip gevonden.

Er wordt rekening gehouden met elk paar punten gescheiden door hetzelfde tijdsverschil (of vertragingstijd), en het gemiddelde positieverschil voor al deze paren geeft de MSD op die specifieke vertragingstijd. Wiskundig gezien wordt de MSD, h∆r2(τ)i, gedefinieerd als:

waarbij x(t) en y(t) de positie van het object op tijdstip t aangeven en τ de vertragingstijd is. Door een machtswet aan de MSD toe te passen, kan de beweging worden omschreven als diffuus, sub-diffusief of super-diffusief. Diffusie, of Brownse beweging, beschrijft processen zoals het geleidelijk mengen van gebieden met hoge en lage concentraties om een ​​gelijkmatige verdeling te vormen. MSD's voor diffusiebeweging volgen h∆r2(τ)i ∝ τ. Afwijkende diffusie is de term die wordt gebruikt om gevallen te beschrijven waarin het bewegingsapparaat niet diffuus is. Superdiffusie beschrijft actief transport, zoals door motoreiwitten aangedreven bewegingen, en de MSD's volgen h∆r2(τ)i ∝ τ waarbij 1 < < 2. Aan de andere kant wordt sub-diffusieve beweging geassocieerd met beweging in een drukke omgeving en met resultaten. bij aandoeningen aan het bewegingsapparaat met exponenten < 1.

Door punten in het ER-netwerk te volgen en de MSD's van deze trajecten te berekenen, is informatie over de dynamiek van individuele componenten van de ER opgehelderd. Er is gevonden dat ER-overgangen sub-diffusief bewegen, op een microtubuli-afhankelijke manier [245]. Behandeling met nocodazol verminderde het aantal diffusieve en superdiffusieve juncties, wat aangeeft dat interacties met motoreiwitten de oorzaak kunnen zijn van de gerichte junctiebeweging. Tubuli in het ER-netwerk oscilleren over het algemeen sub-diffusief, met een gemiddelde MSD-exponent van 0.5 [25].

Dit resultaat komt overeen met de theoretische voorspelling van h∆r2(τ)i ∝ τ1/2 voor semi-flexibele polymeren die thermisch oscilleren in een stroperig medium [246]. Deze resultaten geven aan dat de beweging van het netwerk beperkt is, wat consistent is met beweging in een drukke omgeving zoals het cytoplasma. Recentelijk zijn ook de volledige contouren van individuele tubuli gevolgd, wat heeft geresulteerd in een meer gedetailleerde beschrijving van de dynamiek van de ER-tubuli [27]. De verdelingen van loodrechte verplaatsingen ten opzichte van de gemiddelde positie van de tubulusruggengraat werden gevonden voor punten langs de tubuluscontour.

De asymmetrie of scheefheid van deze verdelingen werd berekend. Aanzienlijke scheefheid duidde op actieve, aangedreven dynamiek, terwijl posities met een verwaarloosbare scheefheid punten beschreven die thermisch oscilleerden, zonder enige actieve invloeden. Het merendeel van de punten oscilleerde thermisch, maar een derde van de gevolgde punten fluctueerde actief. Dynamische vernauwingen en uitstulpingen in de diameter van ER-tubuli zijn ook waargenomen [38,181], hoewel de kenmerken van deze oscillaties nog diepgaand moeten worden geanalyseerd. Als resultaat van zowel het MSD- als het contourtrackingonderzoek wordt aangenomen dat ER-tubuli in het algemeen sub-diffusief trillen, waarbij af en toe actieve dynamiek optreedt langs de ruggengraat van de tubuli. De sub-diffusieve fluctuaties worden waarschijnlijk veroorzaakt door de beweging en de verdringing van het cytoplasma, terwijl de actieve dynamiek veroorzaakt kan worden door motoreiwitten of membraancontactplaatsen met handelsorganellen.

De plaatdynamiek is nog niet zo gedetailleerd bestudeerd als de buisdynamiek. Dit is waarschijnlijk te wijten aan de moeilijkheid bij het kwantificeren van de beweging van lamellaire objecten, vooral die in levende cellen. In het bijzonder bevinden lamellaire gebieden van het ER zich vaak in de dikkere delen van de cel nabij de kern, waar onscherp licht van andere beeldvlakken het vastleggen van een video met slechts één laag ER-vellen een uitdaging maakt. Zelfs met duidelijke video's waarin ER-platen worden getoond, is het kwantificeren van de dynamiek van lamellaire membranen een uitdaging vanwege het gebrek aan geaccepteerde methoden om de dynamiek van platen te beschrijven. Twee mogelijke metingen van de plaatdynamiek zijn de snelheid van plaatranden en de fluctuaties van platen buiten het vlak. Voor zover wij weten is geen van deze benaderingen in vivo geïmplementeerd voor perinucleaire ER-sheets. Er zijn theoretische voorspellingen gedaan voor fluctuaties buiten het vlak van membraanplaten.

Er wordt voorspeld dat de MSD van deze golvingen zal toenemen met τ2/3 voor vrije membranen en langzamer, als ln(τ), voor membranen onder spanning [246]. Experimenteel hebben sommige studies de dynamiek van lamellaire ER aan de celperiferie onderzocht. Joensuu et al. [188] ontdekte dat de locatie en dynamiek van perifere ER-vellen afhankelijk zijn van actinefilamentarrays en foci. Er werd gevonden dat ER-vellen zich dynamisch herschikken als reactie op de beweging van actinestructuren. Het verdwijnen van actine leidde ertoe dat ER-platen de achtergebleven ruimte opvulden en de vorming van nieuwe actinstructuren veroorzaakte het openen van een venster in een ER-plaat. Ook de dynamiek van plaatranden werd bestudeerd.

Vellen fluctueerden in een klein gebied en vertoonden geen voorkeur voor richting in onbehandelde cellen. Behandeling met de actinepolymerisatieremmer, latrunculinA, verhoogde de laterale beweging van de vellen, evenals het aandeel vellen dat splijting, fusie of transformaties in tubuli onderging. De onderzoeken die in deze sectie worden beschreven, laten zien dat de fluctuaties van gevestigde structuren binnen het ER complex en gevarieerd zijn. en beïnvloed door vele subcellulaire organellen en processen. De wisselwerking tussen de ER-dynamiek en de dynamiek van andere subcellulaire organellen en structuren begint nog maar net begrepen te worden en binnenkort wordt vruchtbaar onderzoek op dit gebied verwacht.

3.3. Dynamiek van membraan- en lumencomponenten

Bij de processen die door de ER worden uitgevoerd, is een overvloed aan transmembraan- en lumenale eiwitten betrokken, waarvan er vele op zoek gaan naar interacterende partners. De dynamiek van deze eiwitten, evenals de lipiden die het ER-membraan vormen, kunnen de algehele dynamiek van het organel beïnvloeden.

Fluorescentietechnieken zoals single-particle tracking (SPT), fluorescentieherstel na fotobleken (FRAP) en fluorescentiecorrelatiespectroscopie (FCS, beoordeeld in [247]) zijn gebruikt om de beweging van lipiden en eiwitten te kwantificeren. Computersimulaties zijn ook gebruikt om de dynamiek van objecten ingebed in membranen te bestuderen, omdat wordt aangenomen dat de fluorescerende sondes die worden gebruikt om subcellulaire objecten te volgen de dynamiek belemmeren. Er wordt aangenomen dat hoge concentraties van de fluorescerende kleurstof Rhodamine hydrodynamische weerstand veroorzaken, waardoor de diffusiecoëfficiënt van de interessante objecten met wel 20% afneemt [248].

Het is bekend dat verschillende membraaneigenschappen de dynamiek van transmembraan- en lumenale componenten beïnvloeden: lipidenvlotten, eiwitconcentratie, eiwitvouwingsstatus, cytoskeletinteracties en membraanspanning. Lipidenvlotten zijn domeinen van geclusterde lipiden en eiwitten die binnen de dubbellaag bewegen [249]. Binnen lipidenvlotten bleek de diffusie een factor twee langzamer te zijn [250], en lipiden en eiwitten kunnen tijdelijk beperkt blijven tot deze vloten, waarbij een gehinderde, sub-diffusieve beweging werd waargenomen [251].

Het is ook bekend dat hogere concentraties eiwitten in de lipidedubbellaag de laterale diffusie vertragen [252], waarbij simulaties concluderen dat laterale diffusie in zeer drukke membranen een factor 5-10 langzamer was dan in verdunde membranen [253]. FCS-experimenten toonden ook aan dat de vouwstatus van transmembraaneiwitten hun beweging binnen het ER-membraan beïnvloedt. Er werden verschillende eiwitten geanalyseerd, die allemaal sub-diffusief bleken te bewegen [254]. De afwijkende exponent van ongevouwen VSVG bleek lager te zijn dan die van zijn gevouwen vorm.

Dit benadrukt de meer belemmerde dynamiek van ongevouwen eiwitten. De binding van calnexine, een transmembraan chaperonne-eiwit, aan ongevouwen VSVG veroorzaakte een zodanige toename van de afwijkende exponent dat de beweging niet te onderscheiden was van de gevouwen vorm. Dit resultaat geeft aan dat calnexine de vorming van schadelijke immobiele structuren van ongevouwen eiwitten kan voorkomen. Het is ook bekend dat botsingen tussen de cytoplasmatische domeinen van transmembraaneiwitten en cytoskeletfilamenten de laterale beweging binnen lipidedubbellagen vertragen [255], zoals is aangetoond voor transferrinereceptor (TfR) bij het plasmamembraan. Onder normale omstandigheden werd een langzame, beperkte beweging van TfR waargenomen; toen actine werd gedepolymeriseerd met latrunculine, werd vrije diffusie waargenomen [256].

Uit fotoactivatie-experimenten in epidermale cellen van tabaksbladeren bleek echter dat transmembraaneiwitten in het ER een langzamere, diffusieve dynamiek vertoonden bij behandeling met latrunculine B in vergelijking met de actieve dynamiek waargenomen in onbehandelde cellen [257]. Dit is hoogstwaarschijnlijk te wijten aan de door myosine aangestuurde reorganisatie van het ER in plantencellen (paragraaf 3.1.4). Een ander voorbeeld van de verandering van de transmembraaneiwitdynamiek door cytoskeletinteracties is de beweging van ER-uitgangsplaatsen. ERES beweegt sub-diffusief langs ER-tubuli op een microtubuli-afhankelijke manier [61,180].

Lagere abnormale exponenten en kleinere diffusiecoëfficiënten werden gemeten wanneer cellen werden behandeld met nocodazol, wat aangeeft dat microtubulaire activiteit de ERES-dynamiek bevordert. In simulaties verhoogde het uitoefenen van spanning op het membraan, zoals zou gebeuren bij motorische activiteit, de laterale diffusiecoëfficiënten van lipiden in de dubbellaag, zonder het veranderen van hun afwijkende exponenten [258]. De afwijkende exponenten waren sub-diffusief, met een waarde van ~0.75 waargenomen voor alle membraanspanningen. Ook in computersimulaties bleek de dynamiek afhankelijk te zijn van de richting.

Afwijkingen in de richting loodrecht op de dubbellaag bleken beperkt te zijn, terwijl de laterale beweging in het vlak van de dubbellaag dat niet was [259]. Alles bij elkaar laten deze resultaten zien dat de dynamiek van membraanlipiden en transmembraaneiwitten complex is en afhangt van de samenstelling en toestand van de lipidendubbellaag en na interacties met het cytoskelet. De dynamiek van substraten in het lumen van het ER is ook experimenteel gemeten. Translationele diffusie van eiwitten binnen het lumen van het ER werd voor het eerst experimenteel onderzocht met behulp van groen fluorescerend eiwit (GFP) in 1999 [260]. De beweging van GFP in het ER-lumen bleek aanzienlijk langzamer te zijn dan in het cytoplasma en in de mitochondriën.

De dynamiek van calreticuline, een lumenaal chaperonne-eiwit, bleek afhankelijk te zijn van de vouwomgeving van het ER [261]. In rustende cellen bleek calreticuline gemakkelijk het hele ER te bemonsteren, terwijl langzamere diffusiecoëfficiënten werden waargenomen in actief metaboliserende cellen. Trackingexperimenten met één deeltje onthulden dat zowel calreticuline als ER-gerichte lumenale HaloTag-eiwitten met lagere snelheden bewogen op ER-knooppunten dan in tubuli [181]. De snellere populatie nam af na ATP-uitputting, wat aangeeft dat de ATP-afhankelijke, door motoreiwitten gemedieerde dynamiek van het ER kan bijdragen aan de dynamiek van lumenale componenten. Dit snelheidsverschil tussen tubuli en kruispunten werd niet waargenomen voor de transmembraan chaperonne calnexine.

Behandeling van Cos-7-cellen met latrunculine B leidde tot een snellere lumenale eiwitdynamiek, evenals het verwijderen van N-glycanen uit de eiwitten van belang [262]. Deze studie, samen met de hierboven beschreven experimenten met TfR [256], geeft aan dat actine een belangrijke rol kan spelen bij het beheersen van de beweging van eiwitten en lipiden in het lumen en het membraan van het ER. Een causaal verband tussen de beweging van het ER en de beweging van lumenale of membraangebonden componenten moet nog worden gemaakt.

Er zijn echter verschillende hypothesen voorgesteld. Georgiades et al. stelde voor dat de oscillaties van ER-tubuli het mengen van reactanten in het lumen bevorderen, waardoor de biosynthetische processen die in het ER worden uitgevoerd worden versneld [25]. Op dezelfde manier hebben Stadler et al. suggereren dat de beweging van ERES wordt veroorzaakt door fluctuaties in het ER-netwerk, die sterk afhankelijk zijn van microtubuli [180].

Holcman et al. kiezen voor een andere aanpak en stellen voor dat ATP-afhankelijke peristaltiekachtige contracties in de diameters van de ER-tubuli actief transport van lumenale componenten genereren [181]. Het is duidelijk dat de beweging van het ER en de dynamiek van ER-residente componenten met elkaar verbonden zijn, en men denkt dat de beweging van het ER de efficiëntie van cellulaire processen die in het organel worden uitgevoerd verhoogt, hoewel dit nog niet is bevestigd.

For more information:1950477648nn@gmail.com