Morphogenesis of Mammalian Endoplasmic Reticulum and Golgi Apparatus throughout the Cell Cycle

The endoplasmic reticulum (ER) and the Golgi apparatus are organelles that produce, modify and transport proteins and lipids and regulate Ca2+ environment within cells. Structurally they are composed of sheets and tubules. Sheets may take various forms: intact, fenestrated, single or stacked. The ER, including the nuclear envelope, is a single continuous network, while the Golgi shows only some level of connectivity. It is often unclear, how different morphologies correspond to particular functions. Previous studies indicate that the structures of the ER and Golgi are dynamic and regulated by fusion and fission events, cytoskeleton, rate of protein synthesis and secretion, and specific structural proteins. For example, many structural proteins shaping tubular ER have been identified, but sheet formation is much more unclear. In this study, we used light and electron microscopy to study morphological changes of the ER and Golgi in mammalian cells. The proportion, type, location and dynamics of ER sheets and tubules were found to vary in a cell type or cell cycle stage dependent manner. During interphase, ER and Golgi structures were demonstrated to be regulated by p37, a cofactor of the fusion factor p97, and microtubules, which also affected the localization of the organelles. Like previously shown for the Golgi, the ER displayed a tendency for fenestration and tubulation during mitosis. However, this shape change did not result in ER fragmentation as happens to Golgi, but a continuous network was retained. The activity of p97/p37 was found to be important for the reassembly of both organelles after mitosis. In EM images, ER sheet membranes appear rough, since they contain attached ribosomes, whereas tubular membranes appear smooth. Our studies revealed that structural changes of the ER towards fenestrated and tubular direction correlate with loss of ER-bound ribosomes and vice versa. High and low curvature ER membranes have a low and high density of ribosomes, respectively. To conclude, both ER and Golgi architecture depend on fusion activity of p97/p37. ER morphogenesis, particularly of the sheet shape, is intimately linked to the density of membrane bound ribosomes.

Endoplasmakalvosto (ER) ja Golgi ovat organelleja, jotka tuottavat, muokkaavat ja kuljettavat proteiineja ja lipidejä sekä säätelevät kalsiumin oikeaa pitoisuutta solun sisällä. Ne koostuvat putkimaisista ja laattarakenteista, jotka voivat olla ehjiä, reikiintyneitä, yksittäisiä tai pinoutuneita. ER, johon kuuluu myös tumakalvo, on yksi yhtenäinen verkosto, kun taas Golgissa on erillisiä alaosastoja ja siis vähemmän verkostoitumista. Erilaisten rakenteiden ajatellaan tukevan erityisiä toimintoja. Useimpien rakenteiden kohdalla on kuitenkin epäselvää, mitkä toiminnot niissä sijaitsevat tai miten rakenne palvelee ko. toimintoa. Aiemmissa tutkimuksissa on todettu, että ER ja Golgi ovat dynaamisia ja niiden rakennetta muovaavat erilaiset kalvoston fuusio- ja fissiotapahtumat, solun tukiranka, proteiinituotanto ja eritys sekä rakenneproteiinit. Esimerkiksi monta putkia muodostavaa ER:n proteiinia on jo tunnistettu, mutta laattarakenteiden syntymekanismi on paljon epäselvempi. Tässä väitöskirjassa on käytetty valo- ja elektronimikroskopiaa ER:n ja Golgin rakenteiden tutkimiseen nisäkässoluissa. Eri rakenteiden määrän, laadun, paikan ja dynamiikan huomattiin vaihtelevan solutyypin mukaan. Löysimme myös näihin rakenteisiin vaikuttavan tekijän, p37:n, joka säätelee tunnettua fuusiotekijää, p97:ää. Solunjakautumisen aikana Golgi hajoaa reikiintymisen ja putkiverkoston muodostumisen kautta pieniksi rakkuloiksi ja putkiksi. Meidän tuloksemme osoittavat, että ER:ssä tapahtuu samantapaisia muodonmuutoksia, mutta ER ei hajoa palasiksi. Myös näiden muutosten laajuus vaihtelee solutyypin mukaan. P97/p37 osallistuu molempien organellien rakenteen palauttamiseen solunjakautumisen jälkeen. Elektronimikroskooppikuvissa ER:n laattarakenteet näyttävät yleensä karkealta, koska niihin on kiinnittynyt ribosomeja, jotka valmistavat proteiineja. Tutkimalla useita eri soluja, solusyklin vaiheita ja ER:n rakenteita, me havaitsimme, että ribosomien määrän väheneminen korreloi ER:n reikiintymisen tai putkiston muodostuksen tai yleensä kalvon kaarevuuden lisääntymisen kanssa. Tästä voidaan päätellä, että laattamainen ER on erikoistunut ribosomien toimintaan, josta sen muoto myös on riippuvainen.