Intrecciati e finemente bilanciati: morfologia, dinamica, funzione e malattie del reticolo endoplasmatico, parte 5

3.1.2. Dinamiche del RE mediate da MCS

Oltre all'estensione del tubulo guidata da motori direttamente sulla membrana del RE, la dinamica del RE può essere causata da siti di contatto della membrana del RE con endosomi, lisosomi e mitocondri precoci e tardivi [22,26,38,74,75,84–{{6} },204,219,220] che si muovono lungo i microtubuli.

La ricerca ha scoperto che l’idrolasi acida nei lisosomi può scomporre le proteine ​​e convertirle in amminoacidi, che possono essere utilizzati dalle cellule per sintetizzare nuove proteine. Questo processo è importante per l'apprendimento e la memoria, poiché la sintesi proteica è strettamente correlata alla formazione della memoria.

Inoltre, i lisosomi possono anche mantenere le cellule sane abbattendo i rifiuti cellulari inghiottiti e le sostanze nocive e rimuovendo i rifiuti e le tossine dalle cellule. Questo processo è fondamentale anche per proteggere la sopravvivenza e la funzione dei neuroni. I neuroni sono le nostre cellule cerebrali e svolgono un ruolo vitale nel processo di apprendimento e memoria. Se i neuroni vengono colpiti da rifiuti cellulari e sostanze nocive, la loro funzione e capacità di sopravvivere sarà gravemente compromessa, influenzando la formazione e la conservazione della memoria.

Pertanto, il mantenimento della funzione e della salute dei lisosomi è di grande importanza per migliorare la memoria e proteggere la sopravvivenza e la funzione dei neuroni. Come mantenere la funzione e la salute dei lisosomi? Innanzitutto bisogna prestare attenzione all’apporto dei nutrienti, soprattutto all’apporto di nutrienti importanti come le proteine; in secondo luogo, dobbiamo mantenere un sonno adeguato e fare esercizio fisico; infine, dobbiamo evitare cattive abitudini di vita come stare alzati fino a tardi per ridurre lo stress quotidiano e il carico fisico.

In sintesi, il rapporto tra lisosomi e memoria è molto stretto. Concentrandoci sul mantenimento della funzione e della salute lisosomiale, possiamo migliorare la memoria e proteggere la sopravvivenza e la funzione neuronale, promuovendo così la salute e lo sviluppo del corpo. Si può vedere che dobbiamo migliorare la memoria, e la Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche deserticola ha effetti antiossidanti, antinfiammatori e antinvecchiamento, che possono aiutare a ridurre l’ossidazione e le reazioni infiammatorie nel cervello, proteggendo così il cervello. salute del sistema nervoso. Inoltre, Cistanche deserticola può anche favorire la crescita e la riparazione delle cellule nervose, migliorando così la connettività e la funzione delle reti neurali. Questi effetti possono aiutare a migliorare la memoria, la capacità di apprendimento e la velocità di pensiero e possono anche prevenire lo sviluppo di disfunzioni cognitive e malattie neurodegenerative.

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Questo è un esempio di un processo denominato “autostop”, in cui un organello fornisce il motore e guida il movimento di un altro carico che non è mobile di per sé [38,221,222]. I primi lavori sul movimento del tubulo ER identificavano domini mobili morfologicamente distinti alle estremità del alcuni tubuli ER in movimento [182,191].

Tuttavia, dalla microscopia a luce trasmessa e dalla marcatura con DiOC6 vi è una chiara evidenza che gli stessi tubuli ER possono traslocare direttamente lungo i microtubuli, senza la necessità di fare l'autostop con un altro organello [19,182,183,190].

Circa la metà degli endosomi Rab5-positivi nelle cellule Cos-7 sono attaccati all'ER durante l'imaging [75] e, quando ripresi a frame rate bassi (1 fotogramma ogni 1,5 s), apparivano meno mobili dei lisosomi associati all'ER [219] e hanno meno probabilità di causare mobilità del tubulo ER [26].

Tuttavia, l'imaging dal vivo ai rapidi frame rate necessari per catturare il rapido movimento iniziale dell'endosoma ha rivelato che gli endosomi in movimento possono traslocare verso un tubulo ER, afferrarlo e continuare a muoversi, tirando fuori un tubulo ER dietro di sé ([74]; Figura 4).

Poiché gli endosomi precoci si muovono principalmente verso il centro della cellula, guidati dalla dineina [74,223], l’autostop sugli endosomi precoci può spiegare alcune delle estensioni del tubulo ER dipendenti dalla dineina [20].

Il modo in cui la dineina e le chinesine vengono reclutate negli endosomi precoci e il ruolo della chinesina-1 nel loro movimento non sono del tutto chiari. Lavori recenti suggeriscono che il 30-50% degli eventi di estensione del tubulo ER sono guidati dall'autostop sugli endosomi/lisosomi tardivi si muovevano lungo i microtubuli, mentre il 40% dei tubuli si muoveva lungo i microtubuli in modo indipendente, e il resto era mediato da TAC odTAC (vedi sotto) [26,38,219].

Sorprendentemente, quasi tutti i lisosomi erano associati e si muovevano con la rete ER [219]. È stato osservato che i lisosomi sottoposti a imaging prima, durante e dopo un evento di autostop rallentavano quando erano attaccati ai tubuli ER [204,219], probabilmente perché c'era meno resistenza che contrastava la forza generata dai motori lisosomiali quando non si estendeva un tubulo ER.

Due proteine ​​residenti nell'ER coinvolte nella sintesi dei fosfolipidi, PIS e CEPT1, che in precedenza hanno dimostrato di trovarsi all'estremità dei tubuli mobili insieme a Rab10 [7], sono state associate a eventi di autostop LE/lisosomi [26].

Ancora una volta, la dineina e la chinesina-1 sono i principali motori che guidano il movimento tardivo dell'endosoma/lisosoma e ci sono diversi modi in cui vengono reclutati e controllati, alcuni dei quali implicano interazioni con l'ER (rivisto in [128,129]). La dineina può essere reclutata tramite RILP e Rab7 (in presenza di livelli elevati di colesterolo); ALG2 e TRPML1 (regolati da PI(3,5)P2 e calcio); o JIP4 e TMEM55B (promossi dalla fame, che aumenta la trascrizione di TMEM55B tramite mTORC1) [128,129]. Kinesin-1 viene reclutata da SKIP e Arl8 (regolata da BORC), o FYCO1 e Rab7 (regolata da PI(3)P e coinvolge la protrudina al pronto soccorso: vedere sotto), ed entrambi i collegamenti avvengono tramite KLC [128,129].

Una questione aperta è se questi meccanismi multipli funzionino in parallelo sullo stesso organello, o se vi sia una selezione spaziale (ad esempio, su specifici sottodomini della membrana), o una commutazione a seconda dello stato metabolico o di altri input.

Se solo il 30-50% dei tubuli del RE si muovono in associazione con gli endosomi/lisosomi tardivi, quanto è importante questo autostop per l'organizzazione del RE in generale? Due studi recenti hanno dimostrato che, almeno nelle celle Cos-7, la risposta è: molto.

L'interruzione degli endosomi MCS tardivi dell'ER mediante deplezione mediata da RNAi di VAPA (che lega ORP1L per ancorare LE a ERvia Rab7: [128]) ha anche interrotto la morfologia dell'ER e ridotto l'estensione dei tubuli ER e la complessità della rete, soprattutto alla periferia [26,219], con l'abbattimento di tutti i membri della famiglia ER VAP (VAPA, VAPB e MOSPD2) dando un fenotipo più forte [26].

Inoltre, la manipolazione dei motori presenti sugli endosomi/lisosomi tardivi ha fornito un mezzo utile per innescare il movimento dell'endosoma verso l'interno o verso l'esterno, che ha portato ad una riduzione o ad un aumento dei tubuli ER periferici [26,219] e delle dinamiche della rete [26].

È interessante notare che la deplezione di SKIP o Arl8 ha causato importanti cambiamenti nella rete ER, suggerendo che questa è la via principale per il reclutamento della chinesina-1 per questo processo, piuttosto che della protrudina/FYCO1 [219]. Protrudina, il prodotto del gene ZFYVE27 , è una proteina transmembrana ER multispan che ha una pletora di interattori, sia nell'ER che negli endosomi tardivi.

Al RE, si lega alle proteine ​​che modellano il RE, atlastina, REEP 1 e 5, reticoli 1, 3 e 4, e interagisce anche con VAP tramite un motivo FFAT ([224]; rivisto in [225]). Può anche legarsi agli endosomi tardivi tramite il suo dominio di legame Rab, che lega Rab7-GTP, e un dominio FYVE (Fab-1, YGL023, Vps27 e EEA1), che si lega al fosfatidilinositolo tardivo arricchito endosomicamente 3-fosfato (PI3P) [204,225].

Fondamentalmente, si lega anche a tutti i membri della famiglia KIF5, sebbene l'interazione sia più forte con KIF5A [226], il che è sorprendente considerando che sia la protrudina che KIF5A (ma non KIF5B o C) possono causare paraplegia spastica ereditaria quando mutati (Tabella 1).

La sovraespressione di entrambe le proteine ​​ha causato la formazione di protrusioni nelle cellule non polarizzate [226], da cui il nome protrudina [225], mentre l'esaurimento mediato da siRNA ha portato a un'espansione delle regioni simili a fogli marcate CLIMP63- nella periferia della cellula [224]. Considerato il potenziale della protrudina di legarsi all'endosoma tardivo, Raiborg e colleghi hanno studiato se fosse coinvolto nella formazione della MCS e hanno scoperto che era effettivamente così [204].

Inoltre, la sovraespressione della protrudina ha portato ad un accumulo di endosomi/lisosomi tardivi alla periferia della cellula, un fenotipo che era stato precedentemente osservato per FYCO1, un'altra proteina legante PI3P e Rab7-, e che si è scoperto interagire con la protrudina [204] .

L'immaginazione di FYCO1 e della protrudina nelle cellule viventi ha rivelato che i lateendosomi FYCO1-positivi in ​​movimento interagivano con la protrudina al pronto soccorso, fermandosi o rallentando mentre lo facevano, quindi si staccavano e si allontanavano più rapidamente. La protrudina lega KIF5 e FYCO1 lega KLC e l'espressione della protrudina aumenta la quantità di KIF5 trovata associata a FYCO1, portando al modello secondo cui la chinesina viene passata dalla protrudina a FYCO1 sul lateendosoma durante l'associazione dell'endosoma ER-tardo, attivando così il movimento tardivo dell'endosoma una volta che si rompono libero dal pronto soccorso.

Sebbene questo modello sia allettante, sono necessarie prove più formali. Ciò che è chiaro, tuttavia, è che sia la protrudina che FYCO1 sono importanti per l'estensione dell'assone [129,195,204,227]. È stato dimostrato che la traslocazione tardiva degli endosomi mediata da protrudina e FYCO1-alla periferia cellulare è importante anche per la formazione degli invadopodi, dove i lateendosomi rilasciano la proteasi della matrice MT1-MMP per la secrezione, necessaria per la migrazione delle cellule tumorali [205 ].

È importante sottolineare che la posizione tardiva dell'endosoma/lisosoma è controllata dagli stati nutrizionali, come i livelli di colesterolo e di aminoacidi, che a loro volta regolano il reclutamento o l'attività della dineina e della chinesina-1 [128,129,228].

È stato recentemente dimostrato che questa regolazione ha un impatto importante sulla dinamica e sulla distribuzione dell'ER all'interno della cellula [26,219]. La carenza di siero ha portato ad una rete ER meno mobile e ha ridotto la motilità tardiva degli endosomi/lisosomi, portando a una rete ER meno complessa nella periferia cellulare con meno giunzioni tubulari [26]. Lu e colleghi hanno scoperto che una carenza di siero di 4 ore portava a un tardivo raggruppamento di endosomi/lisosomi e a una riduzione della proporzione di ER tubulare, così come l'arricchimento di colesterolo [219].

Al contrario, la fame di 24-ore o la deplezione di colesterolo hanno innescato la localizzazione periferica degli endosomi senza alcun effetto sui tubuli ER [219]. Il percorso di contatto ER-endosoma/lisosoma mediato dalla protrudina è influenzato anche dallo stato nutrizionale. L’isoforma neuronale della carnitina palmitoiltransferasi 1, CPT1C, è una proteina ER regolata dai livelli di malonil-CoA e mutata in HSP [228].

Lavori recenti hanno rivelato che CPT1C è necessario per una corretta crescita neuronale e controlla il trasporto degli endosomi/lisosomi tardivi alla punta dell’assone, e ciò richiede la sua capacità di legarsi al malonil-CoA [228].

Interagisce con la protrudina e, esprimendola nelle cellule HeLa, aumenta la proporzione degli endosomi tardivi marcati con FYCO1-in movimento verso l'esterno se era presente malonil-CoA, ma riduce il movimento al di sotto dei livelli di controllo se il malonil-CoA era impoverito.

Tuttavia, a differenza della protrudina, CPT1C era presente, ma non arricchito, ai contatti ER-lisosoma, suggerendo che regola l'interazione protrudina-FYCO1-chinesina-1 piuttosto che essere direttamente coinvolta. Gli autori suggeriscono che, in presenza di malonil-CoA, CPT1C promuove il trasferimento di chinesina-1 dalla protrudina a FYCO1 sugli endosomi/lisosomi tardivi, promuovendo così il loro movimento verso l'esterno nei neuroni [228].

Tuttavia, come accennato in precedenza, questo modello di trasferimento della chinesina richiede ulteriori test. È noto che i mitocondri interagiscono ampiamente con l'ER nelle cellule vive [22] e i mitocondri mobili possono estendere i tubuli ER [22,38]. I mitocondri associati al RE sono preferenzialmente localizzati nei microtubuli acetilati [22], che sono la traccia preferita per la chinesina-1(ad esempio, [229]), che è un motore sia per i mitocondri (ad esempio, [230]) che per E.R.

È stato osservato anche che i mitocondri interagiscono con i lisosomi e il lisosoma in movimento potrebbe estrarre un tubulo sottile dal mitocondrio [38]. Poiché si è scoperto che tubuli sottili simili si estendono dai mitocondri nei punti di contatto dell'ER attraverso l'azione di KIF5B e del suo recettore mitocondriale Miro1 [230], si pone la questione se il PDZD8- abbia indotto MCS a tre vie tra ER, endosomi tardivi e i mitocondri potrebbero essere coinvolti in entrambi i processi.

Tuttavia, questa complessa interazione essenzialmente immobilizzava gli organelli [126].

Le MCS sono di vitale importanza per molti aspetti della funzione ER, del metabolismo e della dinamica generale. Ciò rende difficile interpretare le alterazioni osservate in seguito ad esperimenti progettati per interrompere un aspetto della funzione MCS.

Ciò è esemplificato da esperimenti in cui la funzione di Rab7a, necessaria per la MCS tardiva endosoma/lisosoma e coinvolta nel reclutamento sia della chinesina-1 che della dineina negli endosomi, è stata interrotta. L'esaurimento di Rab7a, o l'espressione di un Rab7a bloccato dal PIL, ha portato ad un accumulo di ER simile a un foglio marcato con CLIMP63- alla periferia della cellula e all'attivazione della risposta allo stress dell'ER [231].

Mateus et al. ipotizzano che i cambiamenti strutturali siano causati dallo stress del RE, piuttosto che dai cambiamenti nella dinamica del RE [231]. In effetti, ci sono molti modi in cui lo stress può influenzare la MCS e l’ER (rivisto in [85]). Il monitoraggio dei livelli di stress ER costituirà un controllo importante negli studi futuri (ad esempio, [219]).

3.1.3. Interazioni ER-microtubuli indipendenti dal motore

Era chiaro dai primi studi che esistono tre tipi di interazioni ER-microtubuli: traslocazione motoria dei tubuli ER, interazioni statiche e attacco dei tubuli ER alle punte dei microtubuli in crescita [23].

Quest'ultima interazione guida l'estensione del tubulo attraverso la formazione di "complessi di attacco della punta", o TAC, osservati per la prima volta negli estratti di uova di Xenopus [232]. In una varietà di cellule in coltura, è stato osservato che lo scorrimento motorizzato predomina sui TAC e sulle interazioni statiche tra il tubulo ER. punte e microtubuli [20,21,23,38], sebbene la percentuale differisse tra i tipi di cellule [21].

I TAC sono costituiti dalla proteina transmembrana ER STIM1 (molecola di interazione stromale 1), che interagisce con la proteina MT plus-end-tracking EB1 [21]. STIM1 interagisce con Orai1 sulla membrana plasmatica in seguito all'esaurimento delle riserve di calcio ER per consentire il trasferimento di calcio dall'esterno della cellula all'ER (vedere Sezione 2.2.5). È interessante notare che l'attivazione di questo processo ha impedito il tracciamento della punta di STIM1 [21].

Sebbene la presenza di un TAC non abbia modificato la velocità di crescita e di restringimento dei microtubuli, ha ridotto la probabilità che i microtubuli subiscano una catastrofe (iniziando a depolimerizzare) [232]. I tubuli ER possono anche essere estesi legandosi a un microtubulo depolimerizzante tramite un dTAC [38]; la composizione dei dTAC ER non è nota. Perché esistono due metodi per trasportare l'ER verso la periferia cellulare?

Nel caso degli embrioni di Xenopus, sebbene la chinesina-1 sia presente nel RE, non è attiva fino allo sviluppo successivo [187]. Invece, la rete ER si distribuisce in tutto il citoplasma attraverso l'attività combinata della dineina che la attira verso il nucleo e il centrosoma, e di TAC che la estende verso l'esterno mentre i microtubuli polimerizzano[184]. Nelle cellule in coltura, i TAC garantirebbero che l'ER raggiunga il bordo della cellula.

Al contrario, la preferenza della chinesina-1 per i microtubuli stabili come tracce, forse perché hanno meno MAP7 legato alla loro superficie, significa che si trasloca scarsamente all'estremità dei microtubuli appena polimerizzati [229].

Un ruolo importante per la localizzazione dell'ER mediata da STIM1-EB1- è stato dimostrato nei coni di crescita neuronale, dove STIM1 è necessario per l'orientamento dei microtubuli e dell'ER, che è essenziale affinché un cono di crescita si muova verso un gradiente del fattore di crescita [ 233].

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