Entrelazados y finamente equilibrados: Morfología, dinámica, función y enfermedades del retículo endoplásmico, Parte 7

3.4. Análisis computacional de la dinámica ER

Analizar la dinámica del RE in vivo es un desafío debido a su morfología compleja y dinámica rápida, así como a la fototoxicidad de los experimentos de microscopía de fluorescencia. El modelado matemático de la red es una oportunidad para conocer mejor este complejo sistema desde un punto de vista diferente.

Las formas complejas tienden a impresionar e incluso despertar gran interés. Sin embargo, vale la pena explorar si estos gráficos, texto u otras formas son fáciles de recordar.

En términos generales, las formas complejas requieren más memoria para recordarlas. Por ejemplo, una fórmula matemática compleja, un patrón complejo o una contraseña compleja requieren que dediquemos más tiempo y esfuerzo a recordarla. Sin embargo, esto no significa que las formas complejas deban ser difíciles de recordar.

Por el contrario, si nos enfrentamos activamente a formas complejas y adoptamos el método de memoria correcto, podremos recordarlas fácilmente. Por ejemplo, cuando queremos memorizar una fórmula compleja, podemos usar el método de "memoria paso a paso", es decir, primero descomponer la fórmula en unidades más pequeñas, memorizar cada unidad y finalmente unir estas unidades.

Además, podemos utilizar diversas técnicas de memoria que nos ayuden a recordar formas complejas. Por ejemplo, crear asociaciones para conectar la forma con cosas que ya conocemos fortalece la memoria. O podemos usar mnemónicos de imágenes para convertir las formas en imágenes, lo que hace que sea más fácil de recordar.

En definitiva, las formas complejas no significan que sean difíciles de recordar. Siempre que los afrontemos de la manera correcta y mantengamos una actitud positiva, podremos recordarlos fácilmente. A través de tales esfuerzos, no sólo podemos recordar mejor formas complejas, sino también mejorar nuestra memoria y convertirnos en mejores versiones de nosotros mismos. Se puede ver que necesitamos mejorar la memoria, y Cistanche deserticola puede mejorar significativamente la memoria porque Cistanche deserticola es un material medicinal tradicional chino que tiene muchos efectos únicos, uno de los cuales es mejorar la memoria. La eficacia de Cistanche deserticola proviene de los múltiples ingredientes activos que contiene, incluidos ácido tánico, polisacáridos, glucósidos flavonoides, etc. Estos ingredientes pueden promover la salud del cerebro a través de una variedad de vías.

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Los túbulos del RE pueden considerarse como polímeros semiflexibles, con uniones representadas por enlaces cruzados. Recientemente, muchos grupos han modelado la dinámica de tales redes reticuladas de polímeros semiflexibles [263-266], incluidas aquellas influenciadas por fuerzas activas como los motores moleculares [267-270]. Dichos modelos pueden proporcionar información sobre la dinámica de la red ER al simplificar el sistema y considerar solo las interacciones con los microtúbulos.

Un estudio reciente que modela el movimiento de una partícula rodeada por una red de polímeros semiflexibles puede proporcionar información sobre la razón funcional de los reordenamientos activos del RE. Gong et al. [270] descubrieron que la difusión de una partícula incrustada en una red de polímeros semiflexibles se veía mejorada por la presencia de motores activos.

La difusión de partículas en una red con motores activos fue superdifusiva, mientras que sin motores activos se observó subdifusión. Una posible explicación dada para este movimiento mejorado fue el mayor número de colisiones entre la partícula y la red en presencia de motores activos.

Este resultado puede estar relacionado con la dinámica de las partículas en la luz del RE. Las fluctuaciones en los túbulos y láminas de la red pueden inducir una dinámica más rápida de las partículas dentro de la luz debido a colisiones más frecuentes con la cara luminal de la bicapa lipídica.

También se ha demostrado que ciertos aspectos de la morfología y dinámica del RE de las plantas se pueden replicar considerando el RE como una red mínima [271-273], donde los puntos se conectan utilizando la mínima longitud de túbulos posible. Este modelo recrea con precisión aspectos de la morfología y la dinámica del RE. La estructura de las regiones tubulares de la red se recrea con precisión, al igual que la dinámica del cierre de los anillos.

Sin embargo, este enfoque aún no puede relacionar la rápida dinámica de reordenamiento de la red encontrada utilizando el modelo con las observadas experimentalmente [273]. Recientemente también se ha simulado el movimiento de las partículas luminales.

Un modelo que describe la dinámica de las partículas dentro de la luz del RE en busca de compañeros de reacción concluyó que las propiedades morfológicas de la red son los factores más influyentes a la hora de determinar los tiempos de exploración de las moléculas [274].

Las mejoras futuras en los datos de imágenes, así como en los modelos utilizados para representar la red ER, darán como resultado mejoras tanto en las conclusiones de los modelos computacionales como en los flujos de trabajo para analizar datos experimentales.

Recientemente, varios grupos han lanzado software de código abierto diseñado para extraer variables dinámicas de vídeos de la sala de emergencias en células vivas [24,27]. Estos métodos para cuantificar la morfología y la dinámica de la red ER son esenciales para avanzar en nuestra comprensión de este orgánulo.

El análisis de los cambios en la dinámica y la morfología en diversas condiciones celulares permitiráarrojar luz sobre la razón subyacente de la dinámica del RE y cómo la dinámica alterada puede conducir a patologías clínicas.

4. Morfología, Dinámica y Enfermedad

No sorprende que un orgánulo como el RE, con sus funciones críticas y diversas, esté involucrado en muchas enfermedades. Por lo tanto, es probable que la desregulación de la morfología y distribución de los subdominios funcionales del RE (como se describe en la Sección 2.2) afecte su función y pueda provocar estados patológicos, particularmente en las neuronas [32].

Se sabe que muchas proteínas reguladoras de la morfología del RE están mutadas en enfermedades humanas [227]. También se ha identificado que la falta de comunicación entre el RE y las mitocondrias contribuye a muchas enfermedades, ya sea a través de la desregulación de la transferencia de iones de calcio, la señalización de la insulina o la división mitocondrial.

Las interacciones entre el RE y los endosomas/lisosomas son igualmente vitales para la función celular normal, observándose problemas particulares en las neuronas cuando las proteínas involucradas en estas interacciones están mutadas [195,227].

Además, muchos organismos que dan lugar a infecciones patógenas dependen de la maquinaria del RE para su replicación o entrada a la célula. Las proteínas mejor caracterizadas implicadas tanto en las enfermedades como en el mantenimiento del RE se resumen en la Tabla 1.

Otro factor importante en muchas enfermedades, particularmente las cardiovasculares, es el estrés en salas de emergencia. Los SQM se ven afectados por muchos otros tipos de estrés [85,275], por lo que es probable que esto resulte ser un factor importante en la enfermedad. Se necesita más trabajo para explorar completamente la interacción entre la morfología del RE y el estrés del RE. Recientemente se revisaron los vínculos entre el estrés excesivo del RE, la activación de la UPR y la aparición de enfermedades [276-278], pero no se abordan aquí.

Las proteínas reguladoras de la morfología del RE están implicadas en muchas enfermedades, incluidos múltiples trastornos neurodegenerativos (consulte [227] para una revisión excelente y exhaustiva). Se sabe que las atlastinas, una familia de proteínas que median la fusión de los túbulos del RE con la red [4,348], están mutadas en la paraplejía espástica hereditaria (HSP) [285] y en la neuropatía sensorial y autonómica hereditaria (HSAN) [346,347].

Los REEP y la protrudina, que se sabe que estabilizan regiones de alta curvatura de la membrana en el RE [2,281], también están mutados en algunas formas de HSP [280,286], lo que sugiere que la morfología anormal del RE juega un papel en la enfermedad. se observan con frecuencia en las neuronas [70] y son de vital importancia dado que comúnmente se ven afectadas por mutaciones que causan enfermedades (Tabla 1; [227]). Las mutaciones de protrudina pueden afectar la distribución del ER en los axones, debido a sus interacciones con la cinesina -1 y su papel en la generación de SQM móviles del endosoma tardío del túbulo del ER [205].
Esta función es vital para una extensión eficiente de las neuritas [129,195,204,227]. Es posible que las mutaciones en KIF5A afecten esta vía. La alteración de las interacciones RE-endosomales también afecta la clasificación endosómica y conduce a defectos lisosomales (Sección 2.2.6 y 3.1.2), y esto frecuentemente se relaciona con enfermedades como HSP y ELA (Tabla 1), donde puede ser causada por mutaciones en la espastina. , strumpelin, REEP1 [177] y VAPB, como se describe en otra parte de este número especial [291].

Las mutaciones en las proteínas que regulan la morfología y la dinámica del RE también se han asociado con la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Alzheimer, el microsíndrome de Warburg y la ataxia espinocerebelosa tipo 2.

Las reticulones 3 y 4 están mutadas en la enfermedad de Alzheimer [336] y ELA [299], respectivamente. Las reticulones regulan la curvatura de la membrana del RE [2] y su mutación en la ELA cambia la distribución de las proteínas chaperonas dentro del RE [299] y, por lo tanto, es probable que afecte negativamente la función del RE. Recientemente, Mookherjeeet al. Descubrieron que la agregación de proteínas en el citoplasma, una característica común de las enfermedades neurodegenerativas, afecta tanto a la morfología como a la dinámica del RE [359].

Se encontró que el reticulón 4 se une a los agregados citoplasmáticos, lo que puede ser la causa de la estructura anormal del ER observada. Se observaron menos uniones de tres vías, una dinámica luminal más lenta y una eficiencia de fusión de túbulos deteriorada en células con agregados de proteínas.

Por lo tanto, las proteínas reguladoras de la morfología no sólo desempeñan un papel en la aparición de la enfermedad, sino que también pueden influir en los procesos celulares una vez que la enfermedad ha progresado.

El microsíndrome de Warburg, un trastorno poco común que provoca defectos del desarrollo neurológico, puede ser causado por mutaciones en Rab18 [29]. Rab18 participa en varios procesos relacionados con el RE, incluida la regulación de la MCS de las gotitas de lípidos del RE que involucran el complejo NRZ y las proteínas SNARE [343,360] (pero no en todas las condiciones [8]) y el mantenimiento de la morfología normal del RE [8]. Como se describe en la Sección 3.1.1, también se ha demostrado recientemente que Rab18 promueve el transporte de los túbulos anterógrados del RE a través de su interacción con la kinectina -1 [198] y, de acuerdo con este resultado, las regiones tubulares dinámicas de la red estaban ausentes en las células con agotamiento de Rab18 [8].

Se observa una relación similar entre las proteínas reguladoras de la morfología, la dinámica del ER y la enfermedad con la ataxina-2 en la ataxia espinocerebelosa tipo 2 (SCA2). Se sabe que las mutaciones en la ataxina-2 causan SCA2 [350]. El agotamiento de ataxina-2 aumentó la proporción de láminas en la red del RE y obstaculizó la dinámica tanto tubular como lumenal [28]. La translocación unidireccional de los túbulos a larga distancia disminuyó y los experimentos FRAP mostraron que el transporte de los componentes luminales era mucho más lento en ausencia de ataxina-2 [28].

Las mutaciones en Rab18 y ataxina-2, proteínas que se sabe que desempeñan un papel en la extensión de los túbulos del RE, causan defectos en la morfología y la dinámica tubulares. La causa más probable de las enfermedades es la falta de comunicación entre el RE y las mitocondrias. RE-mitocondrias MCS son sitios importantes de transferencia de iones Ca2+ [275]. La alteración de la homeostasis del calcio fue propuesta por primera vez como una posible causa de enfermedades neurodegenerativas por Khachaturian en 1994 [361].

Desde entonces, las mutaciones en muchas proteínas que regulan la SQM de las mitocondrias ER se han implicado en enfermedades humanas. Se han encontrado mutaciones en seis proteínas que están reclutadas o involucradas en la formación de SCM mitocondriales ER en la enfermedad de Parkinson: Miro1 [318], Parkin [321], DJ-1 [323], -sinucleína [325],PINK1 [327] y LRRK2 [329]. Se descubrió que todas estas mutaciones alteran la transferencia de iones de calcio entre los orgánulos, alteran el SQM ER-mitocondrial o ambas (consulte la Tabla 1). Es importante señalar que Miro1 también recluta cinesina-1 en las mitocondrias, y se ha demostrado que las mutaciones KIF5A afectan la motilidad mitocondrial [362]. En la enfermedad de Alzheimer, las mutaciones en las presenilinas también perturban la homeostasis de los iones calcio [335].

En este caso, sin embargo, es el funcionamiento de los receptores de rianodina (RyR) y de los receptores de inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R) el que está desregulado, en lugar de los SQM [333,334,363]. La enfermedad de Charcot Marie Tooth (CMT) también se ha relacionado con mutaciones en las proteínas formadoras de MCS de las mitocondrias del RE [303,306], aunque no se ha encontrado ningún vínculo entre la CMT y la dinámica del calcio.

La desregulación de los sitios de contacto de las membranas entre el RE y las mitocondrias también se ha implicado en otras enfermedades no neurodegenerativas. Se observa alteración de la señalización de la insulina, una característica distintiva de la diabetes, en células con mutaciones en la mitofusina 2 [308,309] y el complejo de transferencia VDAC-1/grp75/IP3R-1 Ca2+ [310], ambos de los cuales unen el RE y las mitocondrias en los SCM.

Además, muchas proteínas en la interfaz ER-mitocondria se han implicado en varios cánceres (revisado en [345]). La fisión mitocondrial anormal en los SCM mitocondriales RE-RE debido a mutaciones en la proteína 1 relacionada con la dinamina también conduce a encefalopatía [340]. Además, los SQM mitocondriales del RE se han relacionado con la ELA mediante mutaciones en el receptor sigma-1 [300], que participa en la homeostasis del Ca2+ en los SQM. Estos SQM se alteraron en células mutantes [302]. Las mutaciones de ALS también se han relacionado con la dinámica alterada del Ca2+ en los SQM mitocondriales del RE. La forma mutante de ALS de VAPB conduce a una SQM alterada con la proteína de la membrana mitocondrial externa PTPIP51, lo que perturba la absorción de Ca2+en estas SQM [296].

Muchas otras mutaciones de ALS afectan los contactos RE-mitocondrial, como las de VAPB (véanse las revisiones de Chen et al. y Borgese et al. en este número [275,291]). La homeostasis del calcio intracelular también involucra SQM entre el RE y la membrana plasmática. Tras el agotamiento de las reservas de calcio del RE, el Ca2+ extracelular se transfiere a través de la membrana plasmática hacia el RE en el SCM a través de SOCE.

La proteína residente en el RE STIM1 y la proteína residente en la membrana plasmática Orai1 forman un complejo que facilita la SOCE (consulte la Sección 2.2.4). Se sabe que las mutaciones en una o ambas proteínas causan miopatía agregada tubular (TAM) y la afección relacionada, síndrome de Stormorken, a través de la desregulación de la homeostasis del calcio [311-315]. Dado que la unión de STIM1 a las proteínas EB genera TAC, será interesante determinar los efectos que estas mutaciones tienen en la extensión de los túbulos del RE basada en TAC. Las infecciones patógenas también están relacionadas con proteínas relacionadas con el RE.

Los patógenos secuestran el RE en la célula huésped para promover su replicación (revisado en [364,365]). Para varios de estos patógenos, se han descubierto proteínas que se unen a proteínas residentes en el RE para formar SCM. Estos sitios son cruciales para la replicación de patógenos.

Los patógenos conocidos que interactúan con el RE incluyen Legionella pneumophila [352], virus del mosaico de Brome (BMV) [356], poliomavirus sin envoltura SV40 [206], enterovirus 71 [357], flavivirus como el virus Zika [358] y Chlamydia trachomatis. Las reticulones son atacadas por Legionella pneumophila mediante la unión de Ceg9 [352], BMV mediante la proteína viral 1a [356] y enterovirus 71 mediante la proteína de enterovirus 2C [357].

La replicación de patógenos se ve favorecida por la unión de reticulones en los tres casos [351,356,357]. Legionella pneumophila también interactúa con atlastinas [352] para promover la replicación [351], al igual que los miembros de la familia de los flavivirus: virus del dengue, virus del Zika y virus del Nilo Occidental [358]. Las proteínas de Chlamydia trachomatis se unen a VAPA, VAPB [353] y CERT [354] para formar sitios de contacto de membrana con el RE.

El agotamiento de CERT o de las proteínas VAP disminuyó la replicación bacteriana [354], lo que demuestra una vez más que los SCM patógenos del RE son fundamentales para la replicación de patógenos. Curiosamente, también se ha descubierto que las proteínas que forman la membrana del RE suprimen la replicación viral. Se descubrió que el reticulón 3 se une a la proteína no estructural 4B (NS4B) del virus de la hepatitis C [366]. La autooligomerización de NS4B facilita la replicación viral [367].

Sin embargo, cuando se une el reticulón 3, se evita la autooligomerización de NS4B y, por lo tanto, se suprime la replicación viral [366]. SV40 ingresa al citoplasma al penetrar a través de la membrana del RE utilizando la maquinaria ERAD [368], muy probablemente en un ERQC perinuclear expandido (Sección 2.2.1), y se ha sugerido que esto involucra la función de la cinesina-1 mediante la unión a B14, un Proteína de membrana que contiene el dominio ADN-J localizada en ER [206].

En resumen, las mutaciones en proteínas individuales pueden tener efectos catastróficos en la morfología, la dinámica y los SQM del RE, lo que lleva a patologías clínicas. En muchos casos, la morfología, la dinámica y los SQM están estrechamente vinculados, y las mutaciones que afectan a uno de estos tres atributos a menudo provocan efectos en cadena en los demás. Investigaciones recientes sobre las mutaciones que causan enfermedades están comenzando a considerar la morfología y la dinámica del RE como temas relacionados, en lugar de verlos de forma independiente.

Es probable que el trabajo futuro en esta área proporcione información sobre la relación entre morfología y dinámica, así como sobre cómo la dinámica del RE está involucrada en enfermedades que se sabe que alteran la morfología.

5. Discusión

Se han identificado muchas proteínas responsables de regular la morfología del RE y los vínculos entre morfología y función ahora están quedando claros. Apenas estamos comenzando a cuantificar la dinámica del ER y a comprender qué efecto puede tener la dinámica en los procesos realizados por el orgánulo.

Se ha descubierto que las mutaciones en las proteínas reguladoras de la morfología causan muchas enfermedades humanas (Tabla 1) y, en muchos casos, la estructura del RE era anormal, lo que indica que la morfología, la dinámica y la función del RE están intrínsecamente vinculadas. La dinámica del RE también es claramente de vital importancia para establecer y mantener la organización del RE y sus numerosos SCV. Una vez más, las proteínas implicadas suelen mutar en las enfermedades. Un desafío clave para el futuro es definir los roles que desempeñan estas dinámicas y separar la contribución de los diferentes tipos de motilidad.

Esto requerirá imágenes con una velocidad de fotogramas más rápida que la que se ha utilizado comúnmente, ya que los túbulos ER altamente móviles y los orgánulos potencialmente interactivos se mueven a velocidades de hasta 5 µm/s y no se pueden detectar de manera confiable cuando se toman imágenes en un fotograma cada 1,5 a 5 s, como se ha hecho comúnmente. utilizado (por ejemplo, [22,38,75,176,219]). También es importante tener en cuenta que la línea celular de referencia para estudiar la dinámica del ER, la célula Cos-7, tiene un ER mucho menos dinámico que otras líneas celulares [20].

La llegada de la microscopía de superresolución de células fijas y vivas seguirá proporcionando una gran cantidad de nuevos conocimientos sobre la estructura y dinámica del RE. Esperamos que con la reciente publicación de varios métodos para analizar y cuantificar la dinámica del ER, se descubran más vínculos entre la dinámica desregulada del ER y la enfermedad. Con suerte, estos descubrimientos darán como resultado una mayor comprensión de la base funcional del movimiento del RE. ¡El futuro de la investigación sobre la dinámica del ER parece brillante!
Contribuciones de los autores: HTP y VA escribieron el manuscrito. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Financiamiento: HTP fue financiado por un Ph.D. del Consejo de Investigación en Ingeniería y Física. Beca DTP, número de subvención EP/N509565/1.

Declaración de la Junta de Revisión Institucional: No aplicable.

Declaración de Consentimiento Informado: No aplicable.

Declaración de disponibilidad de datos: No aplicable.

Agradecimientos: Esta revisión ha cubierto un tema muy complejo y nos gustaría pedir disculpas a nuestros colegas cuyo trabajo no pudimos incluir.
Conflictos de intereses: Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses. Los financiadores no tuvieron ningún papel en la redacción del manuscrito ni en la decisión de publicar los resultados.

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