絡み合って絶妙なバランス：小胞体の形態、動態、機能、そして疾患 第6部
Apr 10, 2024
ER は、細管先端、結合部、または細管の長さに沿って微小管に静的に付着することもあります [187,232]。 ER と微小管の間の静的リンクは、前述のタンパク質 CLIMP-63 [15]、p180 [16,194]、REEP1 [17]、および Sec61 [234] によって形成される可能性があります。
たんぱく質は私たちの体に必要な重要な栄養素の一つです。 体の組織構造の構築と維持、酵素やホルモンの合成などに役立ちます。しかし、あまり知られていないかもしれませんが、記憶にとっても非常に重要です。
タンパク質は、情報伝達と記憶保存のための脳内の重要な構造であるニューロンと神経伝達物質を構成する基本単位です。 したがって、タンパク質は脳内で重要な役割を果たします。
十分なタンパク質を摂取すると、記憶力が向上し、集中力が高まり、情報の活用と処理が向上することが多くの研究で示されています。
タンパク質は私たちの気分や感情にも影響を与えます。 私たちの脳内では、タンパク質がドーパミンやノルアドレナリンなどの神経伝達物質を生成することで、快感や感情のバランスを高めることができます。
さらに、タンパク質は健康な体を維持し、代謝率と体の病気に対する抵抗力を向上させ、集中力を高めて情報を処理するのに役立ちます。
一般に、タンパク質は記憶、気分、その他の側面と非常に密接に関連しています。 したがって、私たちはタンパク質の摂取量を増やすことに注意を払い、体と脳が適切なサポートと保護を受けられるようにし、知性と才能をよりよく活用する必要があります。 私たちは記憶力を向上させる必要があることがわかります。カンクサにはアセチルコリンや成長因子のレベルを高めるなど、神経伝達物質のバランスも調節できるため、記憶力を大幅に向上させることができます。 これらの物質は記憶と学習にとって非常に重要です。 さらに、カンクサは血流を改善し、酸素の供給を促進するため、脳に十分な栄養素とエネルギーが確実に供給され、脳の活力と持久力が向上します。
これらのリンクは、ER ネットワークの緊張と位置を調節するという仮説が立てられています [235]。 軸索の p180 で見られたように、ER の付着が微小管を安定化させる可能性もある [194]。
これを評価する際の 1 つの問題は、微小管結合タンパク質の過剰発現が内因性レベルでは見られない安定化を引き起こす可能性があることです (例 [16,234])。 しかし、特に安定化された微小管は他の小管のキネシン-1輸送の理想的な経路となるため、小胞体細管と微小管の間のこの潜在的な相反性は将来考慮することが重要である。
3.1.4. ER とアクチン細胞骨格の相互作用
動物細胞では、微小管は上記の驚くほど多様な機構を介して小胞体をリモデリングする際に主要な役割を果たしますが、植物、藻類、およびいくつかの菌類では、アクチンに基づく運動性が鍵となります ([236] で概説)。
ミオシンによって駆動される細胞質の方向性の流れである細胞質ストリーミングも、植物細胞の小胞体の動態に役割を果たしている [237,238]。興味深いことに、植物では微小管に固定された新しい小胞体および微小管関連コンパートメント (EMAC) が同定されている。この流れに抵抗する[239]。 同様に、安定した管状ER結合部も微小管と会合していることが観察されている[240]。
ER を固定するという驚くべき必要性は C. elegans 線虫でも見られており、ER と核膜局在ネスプリン、ANC-1 の喪失により、ER、ミトコンドリア、および脂肪滴の制御不能なストリーミングが引き起こされます。ワームが這うときに発生する力 [241]。 しかし、ANC-1 がどの細胞骨格成分に結合するのかはまだ明らかではありません。
動物細胞では、ミオシン V による ER の運動性が短距離 ER の運動に寄与している可能性があります (例 [211,242])。 さらに、フィラミンタンパク質はマウス胎児線維芽細胞のERとアクチンを結合する可能性があり[243]、ミオシン1cを介したERとアクチンフィラメント間の相互作用はシートを安定化させる可能性がある[188]。
アクチン細胞骨格に対する小胞体ネットワークの依存度は細胞の種類によって異なります。サイトカラシンによるアクチンフィラメントの解重合は、VERO細胞では小胞体ネットワークの分布にほとんど影響を及ぼさないからです[20]が、上皮様細胞株Huh-7では、アクチンの脱重合により、細胞周縁部での ER シートがより小さく、量が少なくなり、ER の位置が不規則になり、細胞の大きな領域に細胞小器官が欠けた状態になった [188]。
さらに、微小管が解重合すると、細胞中心に向かう小胞体のゆっくりとしたアクチン依存性の後退が一部の [23,186,244] 培養細胞型で見られるが、すべて [20] では見られず、ER とアクチンの相互作用が小胞体の形態に影響を与えることが実証されています。解像度の生細胞イメージングにより、微小管非依存性の小胞体伸長が明らかになりました [38]。これはおそらくアクチンベースの運動性によるものである可能性があります。
3.2. ネットワークの変動
小胞体を構成する細管、接合部、シートは時間の経過とともに変動します。 積極的に再配置されていないネットワークの確立された要素でさえ、静止しているのではなく、ある位置を中心に振動しています。 ER の複雑な形態と高速なダイナミクスを考慮すると、ER の動きを定量化することがこの分野における現在の課題となっています。広く受け入れられているダイナミクスの尺度は平均二乗変位 (MSD) です。
MSD は、指定された時間内に物体がどのくらいの距離を移動すると予想されるかを示す尺度です。 ＭＳＤを計算するには、まず最初の時点での物体とその後の時点での物体の位置の差を求める。
同じ時間差（または遅延時間）によって分離された点の各ペアが考慮され、これらすべてのペアの位置の平均差が、その特定の遅延時間における MSD を与えます。 数学的には、MSD、h∆r2(τ)i は次のように定義されます。
ここで、x(t) と y(t) は時間 t におけるオブジェクトの位置を示し、τ は遅延時間です。 べき乗則を MSD に当てはめると、動きを拡散、準拡散、または超拡散として記述することができます。 拡散、またはブラウン運動は、高濃度の領域と低濃度の領域が徐々に混合して均一な分布を形成するなどのプロセスを表します。 拡散運動の MSD は h∆r2(τ)i ∝ τ に従います。 異常拡散は、MSD が拡散性ではない場合を説明するために使用される用語です。 超拡散は、モータータンパク質駆動の運動などの能動輸送を表し、MSD は h∆r2(τ)i ∝ τ (1 < < 2) に従います。一方、準拡散運動は混雑した環境での運動と関連しており、その結果、指数が 1 未満の MSD では。
ER ネットワーク内の点を追跡し、これらの軌道の MSD を計算することにより、ER の個々のコンポーネントのダイナミクスに関する情報が解明されました。 ER 接合部は、微小管に依存して準拡散的に移動することがわかっている [245]。 ノコダゾール治療により拡散接合および超拡散接合の数が減少したことは、モータータンパク質との相互作用が接合の方向性運動の原因である可能性があることを示しています。 ER ネットワーク内の細管は一般に準拡散的に振動し、平均 MSD 指数は 0.5 です [25]。
この結果は、粘性媒体中で熱振動する半柔軟ポリマーに対する h∆r2(τ)i ∝ τ1/2 の理論的予測と一致しません [246]。 これらの結果は、ネットワークの動きが制限されていることを示しており、これは細胞質などの混雑した環境における動きと一致している。最近では、個々の尿細管の完全な輪郭も追跡され、その結果、小胞体尿細管の動態がより詳細に説明されるようになった[27]。 平均尿細管主鎖位置からの垂直変位の分布が、尿細管輪郭に沿った点について見出された。
これらの分布の非対称性、つまり歪度が計算されました。 顕著な歪みは、アクティブで駆動されるダイナミクスを示しますが、無視できる歪みを持つ位置は、アクティブな影響がなく、熱的に振動している点を示しています。 大部分のポイントは熱的に振動しましたが、追跡されたポイントの 3 分の 1 は活発に変動していました。 小胞体尿細管の直径の動的な収縮と膨らみも観察されている [38,181]が、これらの振動の特徴はまだ詳しく分析されていない。 MSD と輪郭追跡の両方の研究の結果、ER 尿細管は一般に準拡散的に振動し、尿細管のバックボーンに沿って時折活発なダイナミクスが発生すると考えられています。 準拡散変動は細胞質の動きと密集によって引き起こされる可能性が高く、一方、能動的動態はモータータンパク質または輸送細胞小器官との膜接触部位によって引き起こされる可能性があります。
シートのダイナミクスは、管状のダイナミクスほど詳しくは研究されていません。これはおそらく、特に生きた細胞内のラメラ物体の動きを定量化することが難しいためです。特に、ER のラメラ領域は、核に近い細胞の厚い部分にあることが多く、他の撮像面からの焦点が合っていない光により、ER シートの 1 層だけを示すビデオをキャプチャすることが困難になります。ER シートを示す鮮明なビデオがあっても、シートのダイナミクスを記述する承認された方法がないため、ラメラ膜のダイナミクスを定量化することは困難です。シートのダイナミクスの 2 つの可能な尺度は、シートの端の速度とシートの面外変動です。私たちの知る限り、これらのアプローチはどちらも、生体内の核周囲の ER シートにはまだ実装されていません。膜シートの面外変動については、理論的予測が行われています。
これらの波状のMSDは、自由な膜ではτ2/3として増加し、張力下の膜ではln(τ)としてよりゆっくりと増加すると予測されています[246]。実験的に、いくつかの研究では、細胞周縁部における層状ERの動態が考慮されています。 ヨエンスーら。 [188] は、peripheralER シートの位置とダイナミクスがアクチン フィラメントの配列と焦点に依存していることを発見しました。 ERシートは、アクチン構造の動きに応じて動的に再配置されることが判明した。 アクチンの消失により、残された空間が ER シートで満たされ、新しいアクチン構造の形成により ER シートに窓が開きました。 シートエッジの力学も研究されました。
シートは狭い領域で変動し、未処理の細胞では方向の好みを示さなかった。 アクチン重合阻害剤であるラトランキュリン A で処理すると、シートの横方向の移動が増加するだけでなく、分裂、融合、または細管への変換を受けるシートの割合も増加しました。このセクションで詳細に説明する研究は、ER 内で確立された構造の変動が複雑で多様であることを示しています。 、そして多くの細胞内小器官とプロセスの影響を受けます。 ER の動態と他の細胞内小器官および構造の動態との間の相互作用は理解され始めたばかりであり、この分野における実りある研究が間もなく行われることが期待されます。
3.3. 膜および内腔コンポーネントのダイナミクス
ER によって実行されるプロセスには、豊富な膜貫通タンパク質と内腔タンパク質が関与しており、その多くは相互作用するパートナーを探して移動します。 これらのタンパク質および小胞体膜を形成する脂質の動態は、細胞小器官の全体的な動態に影響を与える可能性があります。
単一粒子追跡 (SPT)、光退色後の蛍光回復 (FRAP)、および蛍光相関分光法 (FCS、[247] で概説) などの蛍光技術は、脂質とタンパク質の動きを定量化するために使用されてきました。 細胞内物体を追跡するために使用される蛍光プローブは力学を妨げると考えられているため、コンピューターシミュレーションは膜に埋め込まれた物体の力学を研究するためにも使用されています。 高濃度の蛍光色素ローダミンは流体力学的抗力を引き起こし、対象物の拡散係数を最大 20% 減少させることが提案されています [248]。
脂質ラフト、タンパク質濃度、タンパク質の折り畳み状態、細胞骨格相互作用、膜張力など、いくつかの膜特性が膜貫通成分および内腔成分の動態に影響を与えることが知られています。 脂質ラフトは、二重層内を移動するクラスター化脂質砂タンパク質のドメインである[249]。 脂質ラフト内では拡散が 2 分の 1 遅くなることが判明し [250]、脂質とタンパク質はこれらのラフトに一時的に閉じ込められる可能性があり、そこでは妨げられた準拡散運動が観察されました [251]。
脂質二重層内のタンパク質の濃度が高くなると、側方拡散が遅くなることが知られており[252]、シミュレーションでは、密集した膜での側方拡散は希薄な膜よりも5-10倍遅いと結論付けられている[253]。 FCS実験では、膜貫通タンパク質の折り畳み状態がER膜内での動きに影響を与えることも示された。いくつかのタンパク質が分析され、そのすべてが準拡散的に移動することが判明した[254]。折り畳まれていないVSVGの異常指数はそれよりも低いことが判明した。その折り畳まれた形状。
これは、折り畳まれていないタンパク質のより妨害されたダイナミクスを強調しています。 膜貫通シャペロンタンパク質であるカルネキシンが折りたたまれたVSVGに結合すると、異常指数が増加し、その動きは折りたたまれた状態と区別できなくなりました。 この結果は、カルネキシンが折りたたまれていないタンパク質の有害な不動構造の形成を防ぐ可能性があることを示しています。トランスフェリン受容体（TfR）で示されているように、膜貫通タンパク質の細胞質ドメインと細胞骨格フィラメント間の衝突は、脂質二重層内の横方向の動きを遅くすることも知られています[255]。細胞膜で。 通常の条件下では、TfR のゆっくりとした限定された動きが観察されました。 アクチンがラトランキュリンで解重合されると、自由拡散が観察された[256]。
しかし、タバコ葉表皮細胞における光活性化実験では、ラトランキュリンBで処理すると、未処理の細胞で観察された活性動態と比較して、ERの膜貫通タンパク質がより遅い拡散動態を示すことが判明した[257]。 これはおそらく、植物細胞におけるミオシンによる小胞体の再構成によるものと考えられます (セクション 3.1.4)。 細胞骨格相互作用によって変化する膜貫通タンパク質の動態の別の例は、ER 出口部位の動きです。 ERESは、微小管に依存して小胞体細管に沿って準拡散的に移動する[61,180]。
細胞をノコダゾールで処理すると、より低い異常指数とより小さな拡散係数が測定され、微小管の活動が ERES ダイナミクスを促進することが示されました。シミュレーションでは、運動活動で起こるように膜に張力を加えると、二重層内の脂質の側方拡散係数が増加しました。異常指数を変更する [258]。 異常指数は準拡散性であり、すべての膜張力で ~0.75 の値が観察されました。 コンピュータシミュレーションでは、力学が方向に依存することも判明した。
二重層に垂直な方向の逸脱は制限されているが、二重層の平面内での横方向の動きは制限されていないことが判明した[259]。総合すると、これらの結果は、膜脂質と膜貫通タンパク質の動態が複雑であり、組成と成分に依存することを示している。 ERの内腔内の基質の動態も実験的に測定されています。 ER の内腔内でのタンパク質の並進拡散は、1999 年に緑色蛍光タンパク質 (GFP) を使用して初めて実験的に研究されました [260]。 ER内腔におけるGFPの動きは、細胞質およびミトコンドリア内よりも著しく遅いことが判明した。
内腔シャペロンタンパク質であるカルレティキュリンの動態は、ER の折り畳み環境に依存することが判明した [261]。 静止細胞では、カルレティクリンはER全体を容易にサンプリングすることが判明したが、活発に代謝している細胞ではより遅い拡散係数が観察された。 単一粒子追跡実験により、カルレティキュリンとERを標的とした管腔HaloTagタンパク質の両方が、尿細管よりもER接合部で遅い速度で移動することが明らかになった[181]。 より速い集団はATP枯渇により減少し、ATP依存性モータータンパク質媒介ERの動態が内腔成分の動態に寄与している可能性があることを示している。 尿細管と結合部の間のこの速度差は、膜貫通シャペロン カルネキシンでは観察されませんでした。
Cos-7 細胞をラトランキュリン B で処理すると、対象のタンパク質から N-グリカンが除去されるなど、内腔タンパク質の動態が速くなりました [262]。 この研究は、上記の TfR を使用した実験 [256] と合わせて、アクチンが ER の内腔および膜におけるタンパク質と脂質の運動を支配する主要な役割を果たしている可能性があることを示しています。ER の運動と運動の間の因果関係内腔または膜に結合したコンポーネントの開発はまだ行われていません。
しかし、いくつかの仮説が提案されています。 ジョージアデスら。 らは、ER 尿細管の振動が内腔内の反応物質の混合を促進し、ER で行われる生合成プロセスをスピードアップすると提案しました [25]。 同様に、Stadler et al. ERES の運動は微小管に強く依存する ER ネットワークの変動によって引き起こされることを示唆しています [180]。
ホルクマンら。 は別のアプローチをとり、小胞体の直径におけるATP依存性の蠕動様収縮が内腔成分の能動輸送を引き起こすと提案している[181]。 ERの動きとER内に存在する成分の動態が関連していることは明らかであり、ERの動きは細胞小器官内で行われる細胞プロセスの効率を高めると考えられているが、これはまだ確認されていない。
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