Посещений:
Эндоплазматический Ретикулём

Компартментализация

Endoplasmic reticulum: one continuous network compartmentalized by extrinsic cues
Tim Levine1 and Catherine Rabouille
Current Opinion in Cell Biology 2005, 17:362–368

The endoplasmic reticulum (ER) is an extensive threedimensional network that stretches from the inner nuclear envelope to the cell cortex with a single, continuous membrane and a single, continuous lumen. Yet the ER contains specialized regions that carry out unique functions. The question that immediately arises is how the ER can be compartmentalized if it is continuous, and the answer to this is that cellular landmarks with unique sub-cellular distributions impose non-uniformity on the ER from outside, creating structural and functional sub-domains of the ER.
Endoplasmic reticulum (ER) является повсеместным и клетоки содержат одиночную его копию. Специализированные суб-компартменты ER выполняют уникальные функции и может быть различены морфологически: rough ER (RER), который осыпан рибосомами и обычно участвует в купировании белкового синтеза с транслокацией белков в просвет ER посредством translocon; transitional ER (tER) сайты, которые являются специализированными чаше-образными ER цистернами, из которых вновь синтезированные белки выходят посредством COPII пузырьков по пути к оставшемуся секреторному пути [1]; и smooth ER, который считается хранилищем кальция и метаболических путей, участвующих в обслуживании лекарств и синтезе липидов и стероидов (rev. [2]).
Немедленно возникает вопрос, как ER может быть компартментализован, если он непрерывен, ответом м. служить то, что клеточные характерные особенности с уникальным субклеточным распределением налагают не-униформность на ER снаружи, создавая ER суб-домены. В некоторых случаях эти внешние сигналы, организующие ER, ассоциируют с уникальными структурными типами ER. Чётким примером этого является ядерная оболочка, которая организуется с помощью ядерного материала посредством lamins и ламиновых рецепторов. Внешними сигналами обусловленная организация м.б. приложима и к RER, который зафиксирован в областях, содержащих рибосомы [3]. Более того, функциональная гетерогенность внутри субкомпартментов ER, которая не столь очевидно структурно подкреплена, также м. создаваться за счёт внешних сигналов.

ER positioning imposed by the cytoskeleton


Полярность и структура придаются клеткам с помощью цитоскелета, который делает возможным размещение белков и органелл в характерных взаимоотношениях др. с др. Следовательно, в значительной степени внешне-обусловленная организация по всей клетке ER предопределяется цитоскелетом. Во многих клетках животных ER специфически ассоциирует с микротрубочками. Недавно было обнаружено, что ER трубочки транспортируются на цитоплазматические микротрубочки преимущественно (но не исключительно) с помощью киназ, которые заполняют ER от центра клетки в направлении клеточного кортекса (т.e. они являются моторами, направленными на плюс-концы). Недавно было показано, что ассоциации ER-микротрубочки не зависят от моторов [4,5]. Взаимодействия ER-микротрубочки без моторов м.б. важными для высоко дифференцированных клеток, таких как нейроны, где по большому счёту ре-локализация ER не является постоянно необходимой.
Актиновый цитоскелет является основным цитоскелетным партнёром ER в дрожжевых и растительных клетках, но он также играет роль и в животных клетках [6]. Напр., перестройки архитектуры ER у C. elegans во время раннего эмбриогенеза, как недавно было показано, зависят от актина [7]. Следовательно, вполне возможно, что и микротрубочки и актин контролируют разные аспекты позиционирования и структуры ER.

Organization of tER sites


Мало известно о том, как tER сайты формируются и поддерживают своё, судя по всему, случайное распределение по всему cell's ubiquitous ER. Одним из подходов для понимания биогенеза tER является идентификация характерных белков, которые рекрутируют остальную tER кухню, многие из них работают, будучи помещенными в дрожжи. COPII субъединица Sec12 рассматривалась как характерная особенность tER, до тех пор, пока не было показано, что COPII субъединицы Sec23 и Sar1 концентрир-уются в сайтах tER даже после их истощения [8]. Др. кандидатом является Sec16, компонент tER сайтов у дрожжей, мух и людей. Истощение или мутации Sec16 полностью дизорганизуют tER сайты, которые становятся неспособными рекрутировать Sec23 (Ben Glick, personal communication; and C Rabouille, unpublished). И, наконец, ещё одним кандидатом рассматривается Golgi матричный белок p115, т.к. у Drosophila S2 клетки, истощенные по гомологу p115 вызывают альтерации в организации сайтов tER [9].
Хотя биогенез tER не ясне, но очевидно, что tER сайты относительно стабильные структуры в том смысле, что они не перемещаются на большие расстояния, хотя они подвергаются разделению и слиянию как в клетках дрожжей, так и млекопитающих [10,11]. Подобно остальному ER, tER сайты м.б. пространственно ранжированы вдоль микротрубочек, уникальные взаимоотношения недавно были обнаружены между Sec23 и dynactin [12]. Очевидно, что tER сайты стабильные структуры в том смысле, что они не генерируются в ответ на синтез или транспорт белка. Это было продемонстрировано с помощью imaging живых клеток с использованием Sec23, VSVG (protein G from vesicular stomatitis virus) [13], и проколлагена [14], нагруженных соответствующими флюоресцентными метками: Sec23 пятна не появляются в ответ на транспорт грузов в этих системах и не исчезают после всего этого.

ER non-uniformities derived from localized mRNA


Локализация мРНК является прекрасным примером того, как внешние сигналы м. вызывать функциональную неуниформность в RER и tER, не ассоциированную с любым очевидным структурным признаком. Многие мРНК имеют ограниченную локализацию внутри клетки [15], что приводит к ограниченному белковому синтезу, и как было показано, формируют частицы, ассоциированные с микротрубочками [16,17,18]. Это ключевой механизм в установлении асимметричного распределения белка, напр., при поляризации клетки (rev. [16] и [19]). Локализованные мРНК кодируют не только цитоплазматические белки, но и также трансмембранные и секреторные белки. Напр., из 22 мРНК, локализованных в кончике почки дрожжей, по крайней мере, 5 ассоциированы с мембраной [20]. Локальные мРНК, кодирующие трансмембранные и секретируемые белки, м. создавать гетерогенность внутри RER за счёт локальной трансляции, а гетерогенность среди tER сайтов за счёт локального транспорта.

mRNA localization on ER subdomains


Целенаправленная доставка мРНК на RER впервые была выявлена в ооцитах Xenopus [21,22]. Разные мРНК м. связываться непосредственно в разными субдоменами RER. Напр., две мРНК для мембранных белков специфически локализуются в разных частях ER в семенах риса [23,24]. Одна мРНК кодирует prolamine, который формирует включения, происходящие из ER. Др. мРНК кодирует glutein, который первоначально транслоцируется в ER, но не обнаруживается в prolamine включениях, он транспортируется в аппарат Golgi и вакуоли, где он также формирует включения. Отдельные локализации мРНК минимизируют перемешивание двух белков и это делает возможным образование разных включений.

Multiple tER-Golgi secretory units


Может ли локализация мРНК обеспечивать поляризованное отложение или секрецию белков только в одном сегменте клетки? Это возможно в любой клетке, которая имеет множественные tER-Golgi единицы. Такого типа экзоцитический путь организации впервые был описан у дрожжей Pichia, у которых каждый tER сайт расположен тесно с Golgi mini-stack, в результате чего формируется tER-Golgi единица [25]. Сходное расположение tER и Golgi обнаружено в клетках Drosophila [9] и ооцитах Drosophila, которые являются очень крупными клетками, содержащими 1000 tER-Golgi единиц [26], что предоставляет уникальную систему для изучения локального синтеза белков.
Ооциты Drosophila высоко поляризованы. В частности, секреция белка Gurken происходит только в дорсо-переднем углу [27]. Gurken синтезируется в качестве трансмембранного белка. Груз-специфический ко-фактор, называемый Cornichon, затем быстро его экскортирует из ER посредством tER в аппарат Golgi, где отщепляется Gurken's биоактивный lumenal домен. Поляризованная секреция достигается посредством локализации gurken мРНК в дорсо-переднем углу ооцита, но как это гарантирует локальную секрецию? Во-первых, локальный синтез ведет к локальному транспорту, т.к. Cornichon гарантирует быстрый транзит через ER, существенно ограничивая тем самым диффузию в ER, это является непрерывным здесь, как и во всех клетках. Во-вторых, очевидно, что каждая tER-Golgi единица способна секретировать независимо: но только 10-15 из почти 1000 единиц транспортируют белок Gurken, лимитируя распределение секретируемого Gurken (Figure 1b) [26].
Этот пре-трансляционный механизм является ранее неизвестным способом создания поляризованных отложений трансмембранных и/или секретируемых белков в дополнение к пост-трансляционной сортировке в trans-Golgi network (TGN) [28] и он может быть приложим к др. секретируемым белкам у Drosophila [29].
В клетках млекопитающих локализация мРНК, кодирующих трансмембранные и секреторные белки, изучается систематически. Последние работы были сфокусированы в частности на модели грузовых белков, таких как VSVG, секретируемых модельными клетками, часто фибробластами (напр., HeLa клетками), в которых аппарат Golgi является однокопийной около-ядерной лентой (ribbon) в которой все ministacks сцеплены вместе [30]. В одном типе клеток, однако, были описаны Golgi аванпосты. Это было обнаружено в дендритах нейронов крыс, которые кроме того содержат ассоциированные RER и tER сайты [31], и эти дендриты были способны поддерживать локальный синтез и транспорт трансмембранных белков, таких как AMPA рецепторы, независимо от тела клетки [32,33]. Это скорее всего является результатом транслокации локализованных мРНК (хотя мРНК AMPA не является формально локализованной), что сопровождается транспортом в эти Golgi аванпосты эквивалентно с их появлением в tER-Golgi единицах. Сходная локальная трансляция



ER heterogeneity is created by extrinsic cues. (a) A diagrammatic representation of the interactions between the ER (green) and different extrinsic cues including localized mRNAs near peripheral tER sites, the plasma membrane, mitochondria (M) and a phagosome (P). Microtubules are drawn in purple. G, Golgi apparatus. (b) A single stage-9 Drosophila oocyte surrounded by follicle cells. Within the oocyte, Gurken protein (red) is restricted to the dorsal/anterior corner near the nucleus (N) in dots representing the tER-Golgi units. The ER in all cells is green. (Courtesy of Bram Herpers, Department of Cell Biology, UMC Utrecht, The Netherlands.) (c) Diagram of three protein complexes potentially involved in ER-plasma membrane contact [44-47]. (d) Electron micrograph of a mitochondrion wrapped in ER showing zones of apposition (arrows), where ER depleted of ribosomes comes to within 30nm of the mitochondrion. (Courtesy of Ann de Maziere, Department of Cell Biology, UMC Utrecht, The Netherlands.) Scale bar represents 200nm.

и трансляция, как полагают, происходит и в аксонах [34,35,36]. Следующим важным вопросом является степень, до которой tER сайты являются эквивалентными. То что они могут функционировать независимо один от др. показано с помощью локального транспорта белка Gurken в ооцитах Drosophila (Figure 1b). Однако, неизвестно все ли периферические tER сайты HeLa клеток активны в отношении транспорта общих транспортных маркёров и вполне возможно, что эти сайты фактически используются для синтеза локализованных, но еще не идентифицированных мРНК.


ER non-uniformities derived from other membrane-bound organelles


Помимо хорошо известных субдоменов ER ( RER, smooth ER и tER сайтов), мы рассмотрим здесь неуниформность ER, которая индуцируется с помощью др. органелл. Эти суб-домены ER не достаточно хорошо описаны морфологически помимо близости к др. компартментам. ER интимно ассоциирован со многими др. органеллами, включая TGN [37], эндосомы [38], хлоропласты [39] и пероксисомы [40], а также с плазматической мембраной и митохондриями. Мембраны контактирующих сайтов между ER и др. компартментами формируют специализированные суб-домены с каждой органеллой, которая задействована в передаче информации и материала через узкую цитоплазматическую щель.

ER and plasma membrane

Кортикальная часть ER тесно противопоставлена части плазматической мембраны во всех типах клеток. Эта близость, как полагают, лежит в основе способности липидов к трафику в двух направлениях между ER и плазматической мембраной независимо от секреторных путей [41,42]. Только у дрожжей удалось очистить порцию ER, прикрепленную к плазматической мембране. По сравнению с общим ER она богата lipid synthases, указывающими на то, что она адаптирована для поставки липидов [43]. Физическая природа связи ER-плазматическая мембрана всё ещё не установлена, но недавно охарактеризованы три разных связующих комплекса (Figure 1c). Во-первых, в клетках млекопитающих и у дрожжей, translocon of RER взаимодействует непосредственно с экзоцистом, связанным с плазматической мембраной (rev. [44]). Дальнейшие доказательства важности этого взаимодействия получены при изучении рекрутирования кортикального ER к новым почкам дрожжей с помощью субъединицы экзоцисты Sec3 [45]. Во-вторых, консервативный ER белок, названный VAP (VAMP-associated белок, где VAMP является v-SNARE vesicle-associated мембранным белком) формируют связывающие комплексы с белками периферических мембран на плазматической мембране, а также с др. сайтами в клетке [46]. В-третьих, когда фагоциты захватывают крупные тела, то плазматическая мембрана д. быстро расти и в этих экстремальных условиях добавочная мембрана создается с помощью ER. Эта ступень обеспечивается с помощью ER v-SNARE гомологов к Sec22, только ER v-SNARE, которые спариваются с t-SNAREs плазматической мембраны [47], участвуют в непосредственном SNARE обусловленном слиянии ER с плазматической мембраной. Сходным образом, стимулирование лимфоцитов человека индуцирует контакты между exofacial листком плазматической мембраны и просветным листком ER, указывая тем самым на присутствие временной непрерывности между ER и плазматической мембраной в этих клетках [48]. В дополнение к этим мостикам между ER и плазматической мембраной, имеются доказательства мембранного трафика между этими двумя компартментами, который обходит аппарат Golgi.
Наиболее интригующие данные получены на дрожжах, у которых белок polytopic плазматической мембраны Ist2, по-видимому, переносится из кортикального ER кончика почки (где его мРНК специфически локализуется) на соседнюю плазматическую мембрану [49]. Предположение, что Ist2 транслоцирован в ER, подтверждается тем, что трафик Ist2 не зависит от классического экзоцитического пути, т.к. он неизменен при разных мутациях секреторного пути [49,50]. Альтернативой является то, что Ist2 может подвергаться одной из ранее описанных форм не классической секреции белков (т.e. прямая инсерция в плазматическую мембрану после транслокации в цитозоль), который до сих пор был ограничен в основном малыми секретируемыми цитокинами [51]. Это предположение, что непосредственный перенос происходит между ER и плазматической мембраной подтверждается находками, что др. блоки секреторного пути у дрожжей лишь слегка влияют на отложение в плазматической мембране основной массы интегральных белков плазматических мембран [52]. Т.к. вполне возможно, что контакт ER-плазматическая мембрана является новым способом переноса, то важно подтвердить это путём идентификации молекулярной кухни (machinery), участвующей, напр., в определить, нуждается ли трафик Ist2 в SNAREs, которые спаривают ER и плазматическую мембрану [47].

ER and mitochondria

ER и митохондрии интимно ассоциированы др. с др. Они физически сцеплены вместе во многих типах клеток и они ко-регулируют некоторые важные функции, включая апоптоз и перенос липидов и Ca2+ [53].


Non-vesicular traffic and the physical link between the ER and the mitochondria
Специфический ER компартмент, который взаимодействует с митохондриями, называется mitochondria-associated ER membranes (MAM). Очень мало известно о MAM, за исключением того, что она обогащена многими lipid synthases по сравнению с общим ER, и бедна рибосомами [54]. Накопление lipid synthases сравнимо с одной из очевидных функций MAM, которая заключается в участии в трафике липидов в и из митохондрий [55]. Сходным образом, ER сайты Ca2+ высвобождающих каналов, по-видимому, предпочтительно локализованы вблизи митохондрий, указывая тем самым, что MAM может специализироваться на переносе кальция из ER в митохондрии [56]. Не смотря на отсутствие слияния мембран между ER и митохондриями, всплывает тема, что некоторые белки являются общими у этих органелл, включая некоторые интегральные мембранные белки. Для таких мембранных белков пост-трансляционная инсерция в митохондрии имеет тенденцию происходить, если ко-трансляционная инсерция в ER не эффективна [57-59]. Важно, что любые белки, общие ER и митохондриям, которые могут формировать димеры голова-к-голове являются прекрасными кандидатами на роль связующих компонентов в зоне апоозиции (стрелки на Figure 1d). Одним из предполагаемых кандидатов является voltage-dependent anion channel (VDAC или 'porin') [60], и это может быть важным началом в картировании связующих белков между MAM и митохондриями, ни один из которых ещё не был позитивно идентифицирован.

Apoptosis
ER и митохондрии контролируют важные аспекты апоптоза, а пути, используемые этими двумя органеллами, сильно взаимозависимы. Напр., про-апоптический белок BAP31 располагается на ER и усиливает про-апоптический Ca2+ сигнал, который исходит из ER в митохондрии после того, как BAP31 расщепляется с помощью инициирующей апоптоз caspase-8 [61]. Митохондрии вовлечены в это расщепление, т.к. caspase 8 располагается на митохондриях и действует в транс-способом, чтобы расщепить BAP31 на ER [62]. Т.о., интимный контакт между ER и митохондриями важен для запрограммированной клеточной гибели.
Одним из аспектов подобной взаимозависимости является то, что ER и митохондрии обладают многими общими апоптическими регуляторами. Сюда входит PACS-2, который соединяется с про-апоптическим BH3-domain-only белком Bid [63]. В покоящихся клетках фосфорилированный Bid обнаруживается и в цитоплазме и до некоторой степени в ER. Вследствие апоптических стимулов Bid дефосфорилируется и затем соединяется с PACS-2 на митохондриях. Bid затем активируется с помощью caspase-8, расщепляется, образуя truncated Bid (tBid), который в свою очередь индуцирует высвобождение cytochrome c. Интересно, что PACS-2 чувствителен к апоптическим стимулам за счёт транслокации с ER на митохондрии и сама структура MAM нуждается в PACS-2 для своей нормальной интегральности [63], хотя это не может исключать вторичности эффекта PACS-2's в изменении апоптических путей. Не смотря на эти будоражащие находки мы всё ещё мало знаем о том, как часть ER, которая является MAM организуется под действием внешнего влияния митохондрий.

Conclusions


The ER maintains variety in unity. For a long time, the ER was considered to act in a unified manner, in keeping with the unitary nature of the rest of the secretory pathway. However, we now know that localized mRNAs allow the sub-division of the classical secretory pathway into separate compartments. In addition, the ER has specific relationships with many non-ER cellular components, inducing multiple sub-domains in the ER [64]. For the sake of brevity, we have only discussed two of these in detail, the plasma membrane and the mitochondria. The molecular bridges between the ER and other organelles are almost entirely undescribed, except in a single case (the nuclear–vacuole junction in yeast) [65]. In any event, the idea that extrinsic cues organize the ER leads to a further question: what provides these cues with their positional information? The simple answer must be that the cytoskeleton contains most of the information needed to organize the different cellular components and their inter-relationships. In some cases, the molecular mechanisms that set up these relationships are now becoming understood, such as the pathways underpinning the movement and anchoring of Gurken mRNA [17,18]. However, in most cases of ER sub-compartmentalization only a small fraction of the overall mechanism is known at the molecular level, making this an interesting field to work in.
Сайт создан в системе uCoz