Entrelazados y finamente equilibrados: morfología, dinámica, función y enfermedades del retículo endoplásmico, parte 6

El RE también puede unirse estáticamente a los microtúbulos, ya sea a través de las puntas de los túbulos, de las uniones o a lo largo de la longitud del túbulo [187,232]. Los enlaces estáticos entre el RE y los microtúbulos pueden estar formados por las proteínas CLIMP-63 [15], p180 [16,194], REEP1 [17] y Sec61 [234] mencionadas anteriormente.

La proteína es uno de los nutrientes importantes necesarios para nuestro cuerpo. Nos ayuda a construir y mantener la estructura de los tejidos del cuerpo, sintetizar enzimas y hormonas, etc. Pero lo que quizás no sepas es que también es muy importante para nuestra memoria.

Las proteínas son las unidades básicas que forman las neuronas y los neurotransmisores, que son estructuras clave en nuestro cerebro para la transmisión de información y el almacenamiento de la memoria. Por tanto, las proteínas desempeñan un papel vital en el cerebro.

Muchos estudios muestran que comer suficiente proteína puede mejorar nuestra memoria, aumentar nuestra concentración y ayudarnos a utilizar y procesar mejor la información.

La proteína también puede afectar nuestro estado de ánimo y nuestras emociones. En nuestro cerebro, las proteínas pueden aumentar nuestra sensación de placer y equilibrio emocional al producir neurotransmisores como la dopamina y la norepinefrina.

Además, la proteína puede ayudarnos a mantener un cuerpo sano y mejorar nuestra tasa metabólica y la resistencia del cuerpo a las enfermedades, asegurando así que podamos concentrarnos y procesar mejor la información.

En general, las proteínas están muy relacionadas con la memoria, el estado de ánimo y otros aspectos. Por lo tanto, debemos prestar atención a aumentar la ingesta de proteínas para garantizar que nuestro cuerpo y cerebro puedan recibir el apoyo y la protección adecuados, para utilizar mejor nuestra inteligencia y nuestros talentos. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria, y Cistanche deserticola puede mejorar significativamente la memoria, porque Cistanche deserticola también puede regular el equilibrio de los neurotransmisores, como aumentar los niveles de acetilcolina y factores de crecimiento. Estas sustancias son muy importantes para la memoria y el aprendizaje. Además, Cistanche deserticola también puede mejorar el flujo sanguíneo y promover el suministro de oxígeno, lo que puede garantizar que el cerebro reciba suficientes nutrientes y energía, mejorando así la vitalidad y la resistencia del cerebro.

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Se ha planteado la hipótesis de que estos enlaces regulan la tensión y el posicionamiento de la red ER [235]. También es posible que la unión del RE pueda estabilizar los microtúbulos, como se ha observado para p180 en los axones [194].
Un problema al evaluar esto es que la sobreexpresión de una proteína de unión a microtúbulos puede causar una estabilización (p. ej., [16,234]) que podría no observarse a niveles endógenos. Sin embargo, será importante considerar esta posible reciprocidad entre los túbulos y microtúbulos del RE en el futuro, sobre todo porque los microtúbulos estabilizados serían vías ideales para el transporte de cinesina-1 de otros túbulos del RE.

3.1.4. Interacciones del ER con el citoesqueleto de actina

En las células animales, los microtúbulos desempeñan un papel dominante en la remodelación del RE a través de los mecanismos sorprendentemente variados descritos anteriormente, mientras que en las plantas, las algas y algunos hongos, la motilidad basada en actina es clave (revisado en [236]).

La transmisión citoplásmica, el flujo direccional del citoplasma impulsado por la miosina, también desempeña un papel en la dinámica del RE de las células vegetales [237,238]. Curiosamente, se ha identificado un nuevo RE y un compartimento asociado a microtúbulos (EMAC) en plantas que están ancladas a microtúbulos, por lo que resistiendo este flujo [239]. De manera similar, también se ha observado que las uniones tubulares estables del RE se asocian con microtúbulos [240].

También se ha observado una sorprendente necesidad de anclar el RE en los nematodos C. elegans, donde la pérdida de un RE y de la nesprina localizada en la envoltura nuclear, ANC-1, conduce a una transmisión incontrolada del RE, las mitocondrias y las gotitas de lípidos debido a la fuerzas generadas a medida que el gusano se arrastra [241]. Sin embargo, aún no está claro a qué componente citoesquelético se une el ANC-1.

En las células animales, la motilidad del RE impulsada por la miosina V puede contribuir al movimiento del RE de corto alcance (p. ej., [211,242]). Además, las proteínas filamina pueden unir el RE a la actina en fibroblastos embrionarios de ratón [243] y las interacciones entre el RE y los filamentos de actina a través de miosina1c pueden estabilizar las láminas [188].

El grado de dependencia de la red ER en el citoesqueleto de actina difiere entre los tipos de células, ya que la despolimerización de los filamentos de actina con citocalasina tuvo poco efecto en la distribución de la red ER en las células VERO [20], mientras que en la línea celular de tipo epitelial Huh-7, La despolimerización de actina dio como resultado láminas de ER más pequeñas y menos abundantes en la periferia celular y una posición irregular del ER, con grandes regiones de las células desprovistas del orgánulo [188].

Además, cuando se despolimerizan los microtúbulos, se observa una retracción lenta y dependiente de actina del RE hacia el centro celular en algunos [23,186,244] pero no en todos [20] tipos de células cultivadas, lo que demuestra que las interacciones RE-actina influyen en la morfología del RE. Las imágenes de células vivas de alta resolución han revelado una extensión de los túbulos del RE independiente de los microtúbulos [38], que bien puede deberse a la motilidad basada en actina.

3.2. Fluctuaciones de la red

Los túbulos, uniones y láminas que forman el retículo endoplasmático fluctúan con el tiempo. Incluso los elementos establecidos de la red que no se están reordenando activamente no son estacionarios sino que oscilan alrededor de una posición. Dada la compleja morfología y la rápida dinámica del RE, cuantificar el movimiento del RE es un desafío actual en el campo. Una medida de dinámica ampliamente aceptada es el desplazamiento cuadrático medio (MSD).

El MSD es una medida de qué tan lejos se espera que viaje un objeto en un tiempo específico. Para calcular el MSD, primero se encuentra la diferencia de posición entre el objeto en un momento inicial y el objeto en un momento posterior.

Se considera cada par de puntos separados por la misma diferencia horaria (o tiempo de retraso), y la diferencia media en posición para todos estos pares da el MSD en ese tiempo de retraso particular. Matemáticamente, el MSD, h∆r2(τ)i, se define como:

donde x(t) e y(t) dan la posición del objeto en el tiempo t y τ es el tiempo de retraso. Ajustar una ley de potencia al MSD permite describir el movimiento como difusivo, subdifusivo o superdifusivo. La difusión, o movimiento browniano, describe procesos como la mezcla gradual de regiones de concentraciones altas y bajas para formar una distribución uniforme. Los MSD para movimiento difusivo siguen h∆r2(τ)i ∝ τ. Difusión anómala es el término utilizado para describir casos en los que el MSD no es difusivo. La superdifusión describe el transporte activo, como el movimiento impulsado por proteínas motoras, y los MSD siguen h∆r2(τ)i ∝ τ donde 1 < < 2. Por otro lado, el movimiento subdifusivo se asocia con el movimiento en un entorno abarrotado y da como resultado en MSD con exponentes < 1.

Al rastrear puntos en la red ER y calcular los MSD de estas trayectorias, se ha dilucidado información sobre la dinámica de los componentes individuales de la ER. Se ha descubierto que las uniones del RE se mueven de forma subdifusiva, de manera dependiente de los microtúbulos [245]. El tratamiento con nocodazol redujo el número de uniones difusivas y superdifusivas, lo que indica que las interacciones con proteínas motoras pueden ser la causa del movimiento dirigido de las uniones. Los túbulos en la red ER oscilan de manera subdifusiva en general, con un exponente MSD promedio de 0.5 [25].

Este resultado no concuerda con la predicción teórica de h∆r2(τ)i ∝ τ1/2 para polímeros semiflexibles que oscilan térmicamente en un medio viscoso [246]. Estos resultados indican que el movimiento de la red está restringido, lo que es consistente con el movimiento en un ambiente abarrotado como el citoplasma. Recientemente, también se han rastreado los contornos completos de los túbulos individuales, lo que ha resultado en una descripción más detallada de la dinámica de los túbulos del RE [27]. Las distribuciones de desplazamientos perpendiculares desde la posición media de la columna vertebral del túbulo se encontraron para puntos a lo largo del contorno del túbulo.

Se calculó la asimetría o asimetría de estas distribuciones. Una asimetría significativa indicaba una dinámica activa e impulsada, mientras que las posiciones con una asimetría insignificante describían puntos que oscilaban térmicamente, sin ninguna influencia activa. La mayoría de los puntos oscilaron térmicamente, sin embargo, un tercio de los puntos seguidos fluctuaron activamente. También se han observado constricciones dinámicas y protuberancias en el diámetro de los túbulos del RE [38,181], aunque las características de estas oscilaciones aún no se han analizado en profundidad. Como resultado de los estudios MSD y de seguimiento de contornos, se cree que los túbulos del RE también oscilan de manera subdifusiva en general, con dinámicas activas que ocurren ocasionalmente a lo largo de la columna vertebral de los túbulos. Es probable que las fluctuaciones subdifusivas sean causadas por el movimiento y el hacinamiento del citoplasma, mientras que la dinámica activa puede ser causada por proteínas motoras o sitios de contacto de la membrana con orgánulos de tráfico.

La dinámica laminar no se ha estudiado con tanto detalle como la dinámica tubular. Probablemente esto se deba a la dificultad para cuantificar el movimiento de los objetos laminares, en particular los que se encuentran dentro de las células vivas. En particular, las regiones laminares del RE a menudo se encuentran en las partes más gruesas de la célula cerca del núcleo, en las que la luz desenfocada de otros planos de imágenes dificulta la captura de un vídeo que muestre solo una capa de láminas del RE. Incluso con videos claros que muestran láminas de ER, cuantificar la dinámica de las membranas laminares es un desafío debido a la falta de métodos aceptados para describir la dinámica de las láminas. Dos posibles medidas de la dinámica de las láminas son la velocidad de los bordes de las láminas y las fluctuaciones fuera del plano de las láminas. Hasta donde sabemos, ninguno de estos enfoques se ha implementado todavía para láminas ER perinucleares in vivo. Se han hecho predicciones teóricas para las fluctuaciones fuera del plano de las láminas de membrana.

Se predice que el MSD de estas ondulaciones aumentará como τ2/3 para membranas libres y más lentamente, como ln(τ), para membranas bajo tensión [246]. Experimentalmente, algunos estudios han considerado la dinámica del RE laminar en la periferia celular. Joensuu et al. [188] descubrieron que la ubicación y la dinámica de las láminas periféricas del ER dependen de los focos y conjuntos de filamentos de actina. Se descubrió que las láminas del ER se reorganizan dinámicamente en respuesta al movimiento de las estructuras de actina. La desaparición de actina llevó a que las láminas de ER llenaran el espacio dejado y la formación de nuevas actinestructuras provocó la apertura de una fenestración en una lámina de ER. También se estudió la dinámica de las láminas.

Las láminas fluctuaron en un área pequeña y no mostraron preferencia de dirección en las células no tratadas. El tratamiento con el inhibidor de la polimerización de actina, latrunculina A, aumentó el movimiento lateral de las láminas, así como la proporción de láminas que sufren fisión, fusión o transformación en túbulos. Los estudios detallados en esta sección muestran que las fluctuaciones de las estructuras establecidas dentro del RE son complejas y variadas. , e influenciado por muchos orgánulos y procesos subcelulares. La interacción entre la dinámica del RE y la dinámica de otros orgánulos y estructuras subcelulares apenas comienza a comprenderse y se espera que en breve se realicen investigaciones fructíferas en esta área.

3.3. Dinámica de la membrana y los componentes luminales.

Los procesos llevados a cabo por el RE implican una gran cantidad de proteínas transmembrana y lumenales, muchas de las cuales se mueven en busca de parejas que interactúen. La dinámica de estas proteínas, así como la de los lípidos que forman la membrana del RE, puede afectar la dinámica general del orgánulo.

Se han utilizado técnicas de fluorescencia como el seguimiento de una sola partícula (SPT), la recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP) y la espectroscopia de correlación de fluorescencia (FCS, revisada en [247]) para cuantificar el movimiento de lípidos y proteínas. También se han utilizado simulaciones por computadora para estudiar la dinámica de objetos incrustados en membranas, ya que se cree que las sondas fluorescentes utilizadas para rastrear objetos subcelulares obstaculizan la dinámica. Se propone que altas concentraciones del colorante fluorescente rodamina causen resistencia hidrodinámica, disminuyendo el coeficiente de difusión de los objetos de interés hasta en un 20% [248].

Se sabe que varias propiedades de la membrana influyen en la dinámica de los componentes transmembrana y lumenal: balsas lipídicas, concentración de proteínas, estado de plegamiento de proteínas, interacciones citoesqueléticas y tensión de la membrana. Las balsas lipídicas son dominios de lípidos y proteínas agrupados que se mueven dentro de la bicapa [249]. Se descubrió que la difusión es más lenta en un factor de dos dentro de las balsas de lípidos [250], y los lípidos y las proteínas pueden quedar confinados transitoriamente en estas balsas, en las que se observó un movimiento subdifusivo obstaculizado [251].

También se sabe que concentraciones más altas de proteínas dentro de la bicapa lipídica ralentizan la difusión lateral [252], y las simulaciones concluyen que la difusión lateral en membranas muy pobladas fue un factor de 5-10 más lenta que en membranas diluidas [253]. Los experimentos de FCS también mostraron que el estado de plegamiento de las proteínas transmembrana afecta su movimiento dentro de la membrana del RE. Se analizaron varias proteínas, y se encontró que todas se movían de manera subdifusiva [254]. Se encontró que el exponente anómalo del VSVG desplegado era menor que el de su forma plegada.

Esto resalta la dinámica más obstruida de las proteínas desplegadas. La unión de calnexina, una proteína chaperona transmembrana, al VSVG desplegado provocó un aumento en el exponente anómalo de modo que el movimiento era indistinguible de la forma plegada. Este resultado indica que la calnexina puede prevenir la formación de estructuras inmóviles dañinas de proteínas desplegadas. También se sabe que las colisiones entre los dominios citoplasmáticos de las proteínas transmembrana y los filamentos citoesqueléticos ralentizan el movimiento lateral dentro de las bicapas lipídicas [255], como se ha demostrado para el receptor de transferrina (TfR). en la membrana plasmática. En condiciones normales, se observó un movimiento lento y confinado de TfR; cuando la actina se despolimerizó con latrunculina, se observó difusión libre [256].

Sin embargo, los experimentos de fotoactivación en células epidérmicas de hojas de tabaco encontraron que las proteínas transmembrana en el RE exhibían una dinámica difusiva más lenta cuando se trataban con latrunculina B en comparación con la dinámica activa observada en células no tratadas [257]. Lo más probable es que esto se deba a la reorganización del RE en las células vegetales impulsada por la miosina (Sección 3.1.4). Otro ejemplo de alteración de la dinámica de las proteínas transmembrana por interacciones citoesqueléticas es el movimiento de los sitios de salida del ER. ERES se mueve de forma subdifusiva a lo largo de los túbulos del RE de una manera dependiente de los microtúbulos [61,180].

Se midieron exponentes anómalos más bajos y coeficientes de difusión más pequeños cuando las células fueron tratadas con nocodazol, lo que indica que la actividad microtubular promueve la dinámica de ERES. En simulaciones, la aplicación de tensión a la membrana, como sucedería con la actividad motora, aumentó los coeficientes de difusión lateral de los lípidos en la bicapa, sin alterando sus exponentes anómalos [258]. Los exponentes anómalos fueron subdifusivos, con un valor de ~0.75 observado para todas las tensiones de membrana. En simulaciones por ordenador también se descubrió que la dinámica depende de la dirección.

Se encontró que las desviaciones en la dirección perpendicular a la bicapa estaban limitadas, mientras que el movimiento lateral en el plano de la bicapa no lo estaba [259]. En conjunto, estos resultados muestran que la dinámica de los lípidos de membrana y las proteínas transmembrana es compleja y depende de la composición y estado de la bicapa lipídica y tras las interacciones con el citoesqueleto. También se ha medido experimentalmente la dinámica de los sustratos dentro de la luz del RE. La difusión traslacional de proteínas dentro de la luz del RE se exploró por primera vez experimentalmente utilizando proteína fluorescente verde (GFP) en 1999 [260]. Se encontró que el movimiento de GFP en la luz del RE era significativamente más lento que en el citoplasma y en las mitocondrias.

Se descubrió que la dinámica de la calreticulina, una proteína chaperona lumenal, depende del entorno de plegamiento del RE [261]. En células inactivas, se encontró que la calreticulina toma muestras de todo el RE, mientras que se observaron coeficientes de difusión más lentos en células que se metabolizan activamente. Los experimentos de seguimiento de partículas individuales revelaron que tanto la calreticulina como las proteínas HaloTag lumenales dirigidas al RE se movían con velocidades más lentas en las uniones del RE que en los túbulos [181]. La población más rápida disminuyó con el agotamiento de ATP, lo que indica que la dinámica del RE mediada por proteínas motoras dependientes de ATP puede contribuir a la dinámica de los componentes luminales. Esta diferencia de velocidad entre túbulos y uniones no se observó para la chaperona transmembrana calnexina.

El tratamiento de células Cos-7 con latrunculina B condujo a una dinámica de proteínas luminal más rápida, al igual que la eliminación de N-glicanos de las proteínas de interés [262]. Este estudio, junto con los experimentos que utilizan TfR descritos anteriormente [256], indica que la actina puede desempeñar un papel importante en la regulación del movimiento de proteínas y lípidos en la luz y la membrana del RE. Una conexión causal entre el movimiento del RE y el movimiento aún no se ha realizado el análisis de los componentes luminales o unidos a membranas.

Sin embargo, se han propuesto varias hipótesis. Georgiades et al. propusieron que las oscilaciones de los túbulos del RE promueven la mezcla de reactivos dentro de la luz, acelerando los procesos biosintéticos realizados en el RE [25]. De manera similar, Stadler et al. sugieren que el movimiento de ERES es causado por fluctuaciones de la red ER, que dependen fuertemente de los microtúbulos [180].

Holcman et al. Adopte un enfoque diferente y proponga que las contracciones similares a la peristalsis dependientes de ATP en los diámetros de los túbulos del RE generan un transporte activo de los componentes luminales [181]. Está claro que el movimiento del RE y la dinámica de los componentes residentes en el RE están relacionados, y se cree que el movimiento del RE aumenta la eficiencia de los procesos celulares que se llevan a cabo en el orgánulo, aunque esto aún no se ha confirmado.

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