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5部
Apr 10, 2024
3.1.2. MCS を介した ER ダイナミクス
小胞体膜で直接モーターによって駆動される尿細管の伸長に加えて、小胞体ダイナミクスは、小胞体膜と初期および後期エンドソーム、リソソーム、およびミトコンドリアとの接触部位によって引き起こされる可能性があります[22,26,38,74,75,84–{{6} },204,219,220] 微小管に沿って移動します。
研究により、リソソーム内の酸加水分解酵素がタンパク質を分解してアミノ酸に変換し、細胞が新しいタンパク質を合成するために使用できることが判明しました。 タンパク質合成は記憶の形成と密接に関係しているため、このプロセスは学習と記憶にとって重要です。
さらに、リソソームは、取り込まれた細胞の老廃物や有害物質を分解し、細胞から老廃物や毒素を除去することにより、細胞を健康に保つこともできます。 このプロセスは、ニューロンの生存と機能を保護するためにも重要です。 ニューロンは私たちの脳細胞であり、学習と記憶の過程で重要な役割を果たします。 ニューロンが細胞の老廃物や有害物質の影響を受けると、その機能と生存能力が著しく損なわれ、記憶の形成と保持に影響を及ぼします。
したがって、リソソームの機能と健康を維持することは、記憶力を改善し、ニューロンの生存と機能を保護するために非常に重要です。 リソソームの機能と健康を維持するにはどうすればよいですか? まず第一に、栄養素の摂取、特にタンパク質などの重要な栄養素の摂取に注意を払う必要があります。 第二に、十分な睡眠と運動を維持する必要があります。 最後に、生活のストレスや身体的負担を軽減するために、夜更かしなどの悪い生活習慣を避ける必要があります。
要約すると、リソソームと記憶の関係は非常に密接です。 リソソームの機能と健康の維持に焦点を当てることで、記憶力を向上させ、神経細胞の生存と機能を保護し、それによって体の健康と発達を促進することができます。 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。カンクサには抗酸化作用、抗炎症作用、および老化防止効果があり、脳内の酸化と炎症反応を軽減し、それによって脳を保護する効果があるため、カンクサは記憶力を大幅に向上させることができます。神経系の健康。 さらに、カンクサは神経細胞の成長と修復を促進し、神経ネットワークの接続と機能を強化します。 これらの効果は、記憶力、学習能力、思考速度の向上に役立ち、認知機能障害や神経変性疾患の発症も防ぐ可能性があります。
これは「ヒッチハイク」と呼ばれるプロセスの一例であり、1つの小器官がモーターを提供し、それ自体では運動しない別の荷物の動きを駆動する[38,221,222]。小胞体の動きに関する初期の研究では、小胞体の先端に形態学的に異なる運動ドメインが同定された。一部の ER 尿細管が移動している [182,191]。
しかし、透過光顕微鏡法と DiOC6 標識から、ER 尿細管自体は、別の細胞小器官とのヒッチハイクを必要とせずに、微小管に沿って直接移動できるという明らかな証拠がある [19,182,183,190]。
Cos-7 細胞の Rab5- 陽性エンドソームの約半分はイメージング中に ER に結合しており [75]、低フレーム レート (1.5 秒あたり 1 フレーム) でイメージングすると、ER 関連リソソームよりも運動性が低いように見えました。 [219]、小胞体尿細管の可動性を引き起こす可能性は低い[26]。
しかし、早い初期のエンドソームの動きを捕捉するために必要な高速フレームレートでのライブイメージングにより、移動するエンドソームが小胞体小管に向かって移動し、それを掴み、動き続け、後ろにある小胞体小管を引き抜くことができることが明らかになった([74];図4)。
初期エンドソームはダイニンによって主に細胞中心に向かって移動するため[74,223]、初期エンドソームでのヒッチハイクはダイニン依存性の小胞体伸長の一部を説明する可能性がある[20]。
ダイニンとキネシンがどのようにして初期エンドソームに動員されるか、またそれらの移動におけるキネシン-1の役割は完全には理解されていません。最近の研究では、ER 尿細管伸長イベントの 30～50% が後期エンドソーム/リソソームでのヒッチハイクによって引き起こされることが示唆されています細管の 40% は微小管に沿って独立して移動し、残りは TAC または dTAC によって媒介されました (下記を参照) [26、38、219]。
驚くべきことに、ほぼすべてのリソソームは ER ネットワークに関連付けられ、一緒に移動していました [219]。 ヒッチハイクイベントの前、最中、後に画像化されたリソソームは、ER 尿細管に付着すると速度が低下することが見られました [204,219]。これはおそらく、ER 尿細管を伸長していないときにリソソームモーターによって生成される力に対抗する抗力が少ないためと考えられます。
リン脂質合成に関与する 2 つの ER 常在タンパク質である PIS および CEPT1 は、Rab10 とともに運動尿細管の先端に存在することが以前に示されている [7] が、LE/リソソームのヒッチハイクイベントと関連していた [26]。
繰り返しますが、ダイニンとキネシン-1は、後期エンドソーム/リソソームの動きを駆動する主要なモーターであり、それらが動員され制御される方法は複数あり、その一部にはERとの相互作用が含まれます([128,129]で概説)。 ダイニンは、RILP および Rab7 を介して補充されます (コレステロール値が高い場合)。 ALG2 および TRPML1 (PI(3,5)P2 およびカルシウムによって調節される); またはJIP4およびTMEM55B（飢餓によって促進され、mTORC1を介してTMEM55Bの転写を増加させる）[128,129]。 キネシン-1は、SKIPおよびArl8(BORCによって制御される)、またはFYCO1およびRab7(PI(3)Pによって制御され、ERのプロトルジンが関与する:下記を参照)によってリクルートされ、両方の結合はKLCを介している[128,129]。
未解決の疑問は、これらの複数の機構が同じ細胞小器官上で並行して機能するのか、それとも空間選択（例えば、特定の膜サブドメイン上）があるのか、あるいは代謝状態やその他の入力に応じて切り替わるのかということである。
ER 尿細管の 30 ～ 50% だけが後期エンドソーム/リソソームと関連して移動する場合、この ER ヒッチハイクは ER 組織全体にとってどれほど重要でしょうか? 最近の 2 つの研究では、少なくとも Cos-7 細胞では、答えは「非常に」であることが実証されました。
RNAiを介したVAPAの枯渇（Rab7を介してORP1Lに結合してLEをERに固定する: [128]）によってER後期エンドソームMCSを破壊すると、ERの形態も破壊され、特に末梢におけるER尿細管の範囲とネットワークの複雑さが減少した[26,219]。すべてのER VAPファミリーメンバー（VAPA、VAPB、およびMOSPD2）のノックダウンにより、より強い表現型が得られます[26]。
さらに、後期エンドソーム/リソソームに存在するモーターの操作は、内向きまたは外向きのエンドソームの動きを引き起こす有用な手段を提供し、末梢ER尿細管[26,219]およびネットワークダイナミクス[26]の減少または増加につながりました。
興味深いことに、SKIPまたはArl8の枯渇はERネットワークに大きな変化を引き起こし、これがプロトルジン/FYCO1ではなく、このプロセスにおけるキネシン-1動員の主要ルートであることを示唆している[219]。ZFYVE27遺伝子の産物であるプロトルジンは、ER と後期エンドソームの両方に多数の相互作用因子を持つ複数の膜貫通型 ER タンパク質です。
ER では、ER 形成タンパク質であるアトラスチン、REEP 1 および 5、レティキュロン 1、3、および 4 に結合し、FFAT モチーフを介して VAP とも相互作用します ([224]; [225] で概説)。 また、Rab7-GTP に結合する Rab 結合ドメイン、および後期エンドソームに豊富に含まれるホスファチジルイノシトールに結合する FYVE(Fab-1、YGL023、Vps27、および EEA1) ドメインを介して後期エンドソームにも結合できます。 3-リン酸塩 (PI3P) [204,225]。
重要なことに、これはKIF5ファミリーのすべてのメンバーにも結合するが、相互作用はKIF5Aと最も強い[226]。これは、プロトルジンとKIF5A（KIF5BやCではない）の両方が変異すると遺伝性の痙性対麻痺を引き起こす可能性があることを考えると驚くべきことである（表1）。
いずれかのタンパク質の過剰発現は、非極性細胞に突起の形成を引き起こし[226]、そのためプロトルジンの名前が付けられました[225]。一方、siRNA媒介の枯渇は、CLIMP63-標識されたシート状領域の細胞周囲への拡大を引き起こしました。 [224] プロトルジンが後期エンドソームに結合する可能性があることを考慮して、Raiborg らはそれが MCS 形成に関与しているかどうかを調査し、実際にそのとおりであることを発見した [204]。
さらに、プロトルジンの過剰発現は、細胞周縁部での後期エンドソーム/リソソームの蓄積を引き起こした。これは、別のPI3PおよびRab7-結合タンパク質であるFYCO1で以前に見られた表現型であり、プロトルジンと相互作用することが判明している[204] 。
生細胞におけるFYCO1とプロトルジンの想像により、移動するFYCO1-陽性後期エンドソームが小胞体でプロトルジンと相互作用し、その間に一時停止または減速し、その後より迅速に分離して移動することが明らかになりました。 プロトルジンはKIF5に結合し、FYCO1はKLCに結合し、プロトルジンの発現によりFYCO1に関連するKIF5の量が増加したため、キネシンはERと後期エンドソームの結合中に後期エンドソーム上のプロトルジンからFYCO1に受け渡され、それらが切断されると後期エンドソームの動きが活性化されるというモデルが導き出されました。 ERから解放されます。
このモデルは魅力的ですが、より正式な証明が必要です。ただし、明らかなことは、プロトルジンとFYCO1の両方が軸索伸長に重要であるということです[129,195,204,227]。 プロトルジンとFYCO1-媒介の細胞周縁部への後期エンドソーム転座は浸潤足形成にも重要であることが示されており、後期エンドソームは癌細胞の遊走に必要なマトリックスプロテアーゼMT{6}MMPを分泌のために運ぶ[205] ]。
重要なのは、後期エンドソーム / リソソームの位置は、コレステロールやアミノ酸レベルなどの栄養状態によって制御され、それがダイニンやキネシンの動員や活性を制御することです。{0}[128,129,228]。
この制御は、細胞内の ER の動態と分布に大きな影響を与えることが最近示されています [26,219]。 血清が飢餓状態になるとERネットワークの可動性が低下し、後期エンドソーム/リソソームの運動性が低下し、細管接合部が少なくなった細胞周縁部の複雑性の低いERネットワークが形成された[26]。 Luらは、4時間の血清飢餓が後期エンドソーム/リソソームクラスタリングを引き起こし、コレステロール濃縮と同様に尿細管ERの割合の減少を引き起こすことを発見した[219]。
対照的に、24-時間の飢餓またはコレステロール枯渇は、ER尿細管には影響を与えずにエンドソームの末梢局在化を引き起こした[219]。プロトルジン媒介ER-エンドソーム/リソソーム接触経路は、栄養状態にも影響される。 カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ 1 の神経アイソフォームである CPT1C は、マロニル CoA レベルによって調節され、HSP で変異している ER タンパク質です [228]。
最近の研究により、CPT1Cは適切なニューロンの成長に必要であり、後期エンドソーム/リソソームの軸索先端への輸送を制御しており、これにはマロニルCoAに結合する能力が必要であることが明らかになった[228]。
これはプロトルジンと相互作用し、HeLa 細胞で発現させると、マロニル CoA が存在する場合、外側に移動する FYCO1- 標識後期エンドソームの割合が増加しましたが、マロニル CoA が枯渇すると、移動が制御レベル以下に減少しました。
しかし、プロトルジンとは異なり、CPT1CはER-リソソーム接触部に存在するものの濃縮されておらず、これはCPT1Cが直接関与するのではなく、プロトルジン-FYCO1-キネシン-1相互作用を調節していることを示唆している。 著者らは、マロニルCoAの存在下で、CPT1Cが後期エンドソーム/リソソーム上のプロトルジンからFYCO1へのキネシン-1の移動を促進し、その結果、ニューロンにおける外側への移動を促進すると示唆している[228]。
ただし、上で述べたように、このキネシン転移モデルにはさらなるテストが必要です。ミトコンドリアは生細胞内の ER と広範囲に相互作用することが知られており [22]、運動性ミトコンドリアは ER 尿細管を拡張することができます [22,38]。 ER 関連ミトコンドリアは、アセチル化微小管 [22] に優先的に局在しており、これはキネシン -1 (例 [229]) の好ましい経路であり、ミトコンドリア (例 [230]) とミトコンドリアの両方のモーターです。 ER。
ミトコンドリアはリソソームと相互作用することも見られ、移動するリソソームはミトコンドリアから細管を引き抜く可能性がある[38]。 同様の細い細管が、KIF5B とそのミトコンドリア受容体 Miro1 の作用を介して ER 接触点のミトコンドリアから伸びることが判明しているため [230]、PDZD8- が ER、後期エンドソーム間の三方向 MCS を誘導したかどうかという疑問が生じます。 、ミトコンドリアは両方のプロセスに関与している可能性があります。
しかし、この複雑な相互作用は本質的に細胞小器官を固定化した[126]。
MCS は、ER の機能、代謝、および全体的な動態の多くの側面にとって非常に重要です。 このため、MCS 機能の一側面を破壊するように設計された実験後に見られる変化を解釈することが困難になります。
これは、後期エンドソーム/リソソームMCSに必要であり、キネシン-1とダイニンの両方のエンドソームへの動員に関与するRab7a機能が破壊された実験によって例示されている。 Rab7a の枯渇、または GDP ロックされた Rab7a の発現は、細胞周縁部での CLIMP63- 標識シート状 ER の蓄積と、ER ストレス応答の活性化を引き起こしました [231]。
Mateusらは、構造変化はERダイナミクスの変化ではなく、ERストレスによって引き起こされるという仮説を立てている[231]。 実際、ストレスが MCS と ER に影響を与える可能性がある方法は数多くあります ([85] で概説)。 ER ストレスレベルのモニタリングは、将来の研究において重要な制御となるでしょう (例えば、[219])。
3.1.3. モーターに依存しない小胞体と微小管の相互作用
初期の研究から、ER と微小管の 3 種類の相互作用が存在することが明らかでした。すなわち、ER 尿細管のモーター駆動による転座、静的相互作用、および成長中の微小管先端への ER 尿細管の付着です [23]。
後者の相互作用は、アフリカツメガエルの卵抽出物で最初に見られた「先端付着複合体」またはTACの形成を介して尿細管の伸長を促進します[232]。さまざまな培養細胞では、モーター駆動の滑りがTACとER尿細管間の静的相互作用よりも優勢であることが見られました。先端および微小管 [20、21、23、38]、ただしその割合は細胞の種類によって異なります [21]。
TAC は、MT プラス末端追跡タンパク質 EB1 と相互作用する膜貫通型 ER タンパク質 STIM1 (間質相互作用分子 1) で構成されています [21]。 STIM1 は、ER カルシウム貯蔵量が枯渇すると原形質膜で Orai1 と相互作用し、細胞外から ER へのカルシウムの移動を可能にします (セクション 2.2.5 を参照)。興味深いことに、このプロセスを誘発すると STIM1 チップの追跡が妨げられました [21]。
TAC の存在は微小管の成長と収縮の速度に変化を与えませんでしたが、微小管が破局を起こす (解重合し始める) 可能性は減少しました [232]。 ER細管は、dTACを介して解重合微小管に結合することによっても伸長することができます[38];ER dTACの組成は不明です。なぜERを細胞周縁部に輸送する方法が2つあるのでしょうか?
アフリカツメガエルの胚の場合、キネシン-1はERに存在しますが、発育後期まで活性はありません[187]。 代わりに、ERネットワークは、ダイニンが核および中心体の方向に引き寄せる作用と、微小管が重合するにつれて外側に伸長するTACの組み合わせ作用を介して細胞質全体に分布する[184]。 培養細胞では、TAC により ER が細胞の端まで確実に到達します。
対照的に、キネシン-1はトラックとして安定な微小管を好みますが、これはおそらく表面に結合するMAP7が少ないためであり、新しく重合した微小管の末端までの移動が少ないことを意味します[229]。
STIM1-EB1-を介したER局在化の重要な役割がニューロンの成長円錐で証明されており、STIM1は微小管の配向に必要であり、成長円錐が成長因子勾配に向かって移動するためにはERが不可欠である[ 233]。
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