Ендоплазматично-ретикулумскиот-асоциран протеин

Ендоплазматично-ретикулумската-асоцирана протеинска деградација (ЕРАД) означува клеточен пат кој ги таргетира погрешно преклопените протеини на ендоплазматскиот ретикулум за убиквитинација и последователна деградација од комплексот што разградува протеини, наречен протеазом.

Механизам

Процесот на ЕРАД може да се подели на три чекори:

Препознавање на погрешно преклопени или мутирани протеини во ендоплазматскиот ретикулум

Препознавање на погрешно преклопени или мутирани протеини зависи од откривањето на субструктури во протеините како изложени хидрофобни региони, неспарени остатоци од цистеин и незрели гликани.

Во клетките на цицачите на пример, постои механизам наречен обработка на гликан. Во овој механизам, шаперони од типот на лектин, калнексин / калретикулин (CNX/CRT, односно ЦНХ/ЦРТ) обезбедуваат на незрели гликопротеини можност да ја достигнат нивната родна конформација. Тие можат да го направат тоа преку реглукозилирање на овие гликопротеини со ензим наречен UDP - гликоза - гликопротеин глукозилтрансфераза, исто така познат како UGGT. Терминално погрешно преклопените протеини, сепак, мора да се извлечат од ЦНХ/ЦРТ. Ова го спроведуваат членовите на семејството ЕДЕМ (протеин сличен на а-манозидаза што ја подобрува деградацијата на ЕР) (ЕДЕМ1-3) и ЕР манозидаза I. Оваа манозидаза отстранува еден остаток од маноза од гликопротеинот. На крајот, ЕДЕМ ќе ги насочи погрешно преклопените гликопротеини за разградување преку олеснување на врзувањето на ЕРАД лектините ОS9 (ОС9) и XTP3-B (ХТП3-Б).^[1]

Ретро-транслокација во цитозолот

Бидејќи системот убиквитин-протеазом (УПС) се наоѓа во цитозолот, погрешно преклопените протеини треба да се транспортираат од ендоплазматскиот ретикулум назад во цитоплазмата. Повеќето докази сугерираат дека Hrd1 (Хрд1) E3 убиквитин-протеинската лигаза може да функционира како ретротранслокон или дислокон за транспорт на супстрати во цитозолот. Hrd1 не е потребен за сите ЕРАД настани, така што веројатно е дека други протеини придонесуваат за овој процес. На пример, гликолизираните супстрати се препознаваат преку E3 Fbs2 (Фбс2) лектинот.^[2] Понатаму, оваа транслокација бара движечка сила која ја одредува насоката на транспортот. Бидејќи полиубиквитинацијата е суштинска за извоз на супстрати, широко се смета дека оваа движечка сила е обезбедена од факторите за врзување на убиквитин. Еден од овие фактори за врзување на убиквитин е комплексот Cdc48p-Npl4p-Ufd1p (Цдц48п-Нпл4п-Уфд1п) во квасецот. Луѓето имаат хомолог на Cdc48p (Цдц48п) познат како протеин што содржи валосин (VCP/p97) со иста функција како Cdc48p. VCP/p97 транспортира супстрати од ендоплазматскиот ретикулум до цитоплазмата со својата активност на АТПаза.

Убиквитин-зависна деградација од страна на протеазомот

Убиквитинацијата на погрешно преклопени протеини е предизвикана од каскада од ензимски реакции. Првата од овие реакции се случува кога ензимот за активирање на убиквитин Е1 хидролизира АТП и формира високо-енергетска тиоестерска врска меѓу цистеинскиот остаток во неговото активно место и Ц-крајот на убиквитин. Добиениот активиран убиквитин потоа се пренесува до Е2, кој е ензим за конјугирачки убиквитин . Друга група ензими, поконкретно убиквитински протеински лигази наречени Е3, се врзуваат за погрешно преклопениот протеин. Потоа, тие ги усогласуваат протеинот и Е2, со што се прицврстува убиквитинот со лизинските остатоци од погрешно преклопениот протеин. По последователно додавање на молекули на убиквитин во остатоците од лизин, на претходно прикачениот убиквитин, се формира синџир на полиубикитин. Се произведува полиубиквитиниран протеин и тоа е препознаено од специфичните подединици во комплексите за покривање 19S на 26S протеазомот. Понатаму, полипептидниот синџир се внесува во централната комора на јадрото 20S што ги содржи протеолитички активните места. Убиквитинот се расцепува пред крајното варење со деубиквитинирачки ензими. Овој трет чекор е многу тесно поврзан со вториот, бидејќи убиквитинацијата се одвива за време на настанот на транслокација. Сепак, протеазомалната деградација се одвива во цитоплазмата.

Машини за убиквитинација на ЕРАД

Прстенот закотвен на ЕР мембраната кој содржи убиквитински лигази Hrd1 и Doa10 се главните посредници на убиквитинацијата на супстратот за време на ЕРАД. Мембранскиот протеин Ubc6 со закотвен опаш, како и Ubc1 и Cue1 и Ubc7 се ензимите за коњугирање на убиквитин вклучени во ЕРАД.

Контролни пунктови

Бидејќи варијацијата на ЕРАД-супстратите е огромна, предложени се неколку варијации на механизмот ЕРАД. Беше потврдено дека растворливите, мембранските и трансмембранските протеини беа препознаени со различни механизми. Ова доведе до идентификација на 3 различни патеки кои всушност сочинуваат 3 контролни пунктови:

Првиот контролен пункт се нарекува ЕРАД-Ц и ја следи состојбата на преклопување на цитосолните домени на мембранските протеини. Ако се откријат дефекти во цитозолните домени, оваа контролна точка ќе го отстрани погрешно преклопениот протеин.
Кога ќе се потврди дека цитосолните домени се правилно преклопени, мембранскиот протеин ќе помине до втор контролен пункт каде што се следат луминалните домени. Овој втор контролен пункт се нарекува патека ЕРАД-Л. Не само мембранските протеини кои го преживуваат првиот контролен пункт се контролираат за нивните луминални домени, исто така и растворливите протеини се проверуваат преку оваа патека бидејќи тие се целосно луминални и на тој начин ја заобиколуваат првата контролна точка. Ако се открие лезија во луминалните домени, вклучениот протеин се обработува за ЕРАД со користење на збир на фактори, вклучително и везикуларната машинерија што ги транспортира погрешно преклопените протеини од ендоплазматскиот ретикулум до апаратот Голџи.
Опишан е и трет контролен пункт кој се потпира на проверка на трансмембранските домени на протеините. Се нарекува патека ЕРАД-М, но не е многу јасно по кој редослед треба да се постави во однос на двете претходно спомнати патеки.

Болести поврзани со неисправност на ЕРАД

Бидејќи ЕРАД е централен елемент на секреторната патека, пореметувањата на неговата активност предизвикуваат многубројни човечки болести. Овие нарушувања се класифицираат во две групи:

Првата група е резултат на мутации во компонентите на ЕРАД, кои последователно ја губат својата функција. Со губење на нивната функција, овие компоненти повеќе не се во можност да ги стабилизираат аберантните протеини, така што тие се насобираат и ја оштетуваат клетката. Пример за болест предизвикана од оваа група на нарушувања или пореметувања е Паркинсоновата болест. Таа е предизвикана од мутација на генот паркин. Паркин е протеин кој функционира во комплекс со CHIP (ЧИП) како убиквитин лигаза и ја надминува акумулацијата и агрегацијата на погрешно преклопени протеини.

[Освен оваа теорија, постојат и многу други теории за причините на Паркинсовата болест, кои што можат да се најдат на Википедија.]

За разлика од претходната група нарушувања, втората група е предизвикана од предвремена деградација на секреторните или мембранските протеини. На овој начин, овие протеини не се во можност да се распоредат во дисталните оддели, а тоа може да го согледаме во цистичната фиброза.

ЕРАД и ХИВ

Како што е опишано претходно, додавањето на полиубиквитински синџири на ЕРАД супстратите е клучно за нивниот извоз. ХИВ користи ефикасен механизам за дислоцирање на протеинот домаќин со една мембрана, CD4 (ЦД4), од ЕР и го доставува до ЕРАД. Протеинот Vpu на ХИВ-1 е протеин на ER мембраната и го таргетира новосоздадениот CD4 во ендоплазматскиот ретикулум за разградување од цитосолните протеазоми.^[3] Vpu користи само дел од процесот ЕРАД за деградирање на CD4. CD4 е нормално стабилен протеин и веројатно нема да биде цел за ЕРАД. Сепак, ХИВ произведува мембрански протеин Vpu кој се врзува за CD4. Протеинот Vpu главно го задржува CD4 во ER со SCFβ-TrCP-зависна убиквитинација на интеракциите на CD4 цитозолната опашка и трансмембранскиот домен (TMD, односно ТМД).^[3] CD4 Gly415 придонесува за CD4-Vpu интеракциите, неколку механизми со посредство на TMD од страна на ХИВ-1 Vpu се неопходни за да се намали CD4 и на тој начин да се промовира вирусната патогенеза. CD4 задржан во ЕР ќе биде цел за варијанта ЕРАД патека наместо претежно да се појавува на плазматската мембрана без присуство на Vpu преку патеката RESET (РЕСЕТ). Vpu посредува во задржувањето на CD4 во ЕР и додавање на деградација. Бидејќи Vpu е фосфорилиран, тој имитира супстрати за комплексот E3 SCF ^βTrCP . Во клетките кои се инфицирани со ХИВ, SCF ^βTrCP комуницира со Vpu и убиквитинира CD4, кој последователно се разградува од протеазомот. Самата Vpu бега од деградацијата.

Прашања

Големите отворени прашања поврзани со ЕРАД се:

Како поконкретно се препознаваат погрешно преклопените протеини?
Како се разликуваат ERAD супстратите/луминалните подлоги и мембранските подлоги за ретротранслокација?
Дали ретротранслокацијата е зачувана преку квасецот до човечкиот систем?
Кој е каналот за ретротранслокација на луминалните ЕР протеини?
Која Е3 лигаза конечно ги означува протеините за протеазомална деградација?

Поврзано

Наводи

↑ „Mannose trimming is required for delivery of a glycoprotein from EDEM1 to XTP3-B and to late endoplasmic reticulum-associated degradation steps“. The Journal of Biological Chemistry. 286 (2): 1292–300. January 2011. doi:10.1074/jbc.M110.154849. PMC 3020737. PMID 21062743.
↑ „The E3 Ubiquitin Ligases HRD1 and SCFFbs2 Recognize the Protein Moiety and Sugar Chains, Respectively, of an ER‐Associated Degradation Substrate“. Israel Journal of Chemistry. 46 (2): 189–96. September 2006. doi:10.1560/2QPD-9WP9-NCYK-58X3.
↑ ^3,0 ^3,1 „Multilayered mechanism of CD4 downregulation by HIV-1 Vpu involving distinct ER retention and ERAD targeting steps“. PLOS Pathogens. 6 (4): e1000869. April 2010. doi:10.1371/journal.ppat.1000869. PMC 2861688. PMID 20442859.

Дополнителна литература

Magadán JG, Bonifacino JS (January 2012). „Transmembrane domain determinants of CD4 Downregulation by HIV-1 Vpu“. Journal of Virology. 86 (2): 757–72. doi:10.1128/JVI.05933-11. PMC 3255848. PMID 22090097.
Meusser B, Hirsch C, Jarosch E, Sommer T (August 2005). „ERAD: the long road to destruction“. Nature Cell Biology. 7 (8): 766–72. doi:10.1038/ncb0805-766. PMID 16056268. S2CID 6449806.
Ding WX, Yin XM (February 2008). „Sorting, recognition and activation of the misfolded protein degradation pathways through macroautophagy and the proteasome“. Autophagy. 4 (2): 141–50. doi:10.4161/auto.5190. PMID 17986870.
Vashist S, Ng DT (April 2004). „Misfolded proteins are sorted by a sequential checkpoint mechanism of ER quality control“. The Journal of Cell Biology. 165 (1): 41–52. doi:10.1083/jcb.200309132. PMC 2172089. PMID 15078901.
Ruddock LW, Molinari M (November 2006). „N-glycan processing in ER quality control“. Journal of Cell Science. 119 (Pt 21): 4373–80. doi:10.1242/jcs.03225. PMID 17074831.
Vembar SS, Brodsky JL (December 2008). „One step at a time: endoplasmic reticulum-associated degradation“. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 9 (12): 944–57. doi:10.1038/nrm2546. PMC 2654601. PMID 19002207.
Benyair R, Ron E, Lederkremer GZ (December 2011). „Protein quality control, retention, and degradation at the endoplasmic reticulum“. International Review of Cell and Molecular Biology. 292: 197–280. doi:10.1016/B978-0-12-386033-0.00005-0. ISBN 9780123860330. PMID 22078962.

[pmid21062743-1] „Mannose trimming is required for delivery of a glycoprotein from EDEM1 to XTP3-B and to late endoplasmic reticulum-associated degradation steps“. The Journal of Biological Chemistry. 286 (2): 1292–300. January 2011. doi:10.1074/jbc.M110.154849. PMC 3020737. PMID 21062743.

[2] „The E3 Ubiquitin Ligases HRD1 and SCFFbs2 Recognize the Protein Moiety and Sugar Chains, Respectively, of an ER‐Associated Degradation Substrate“. Israel Journal of Chemistry. 46 (2): 189–96. September 2006. doi:10.1560/2QPD-9WP9-NCYK-58X3.

[Magadán_2010-3] 3,0 ^3,1 „Multilayered mechanism of CD4 downregulation by HIV-1 Vpu involving distinct ER retention and ERAD targeting steps“. PLOS Pathogens. 6 (4): e1000869. April 2010. doi:10.1371/journal.ppat.1000869. PMC 2861688. PMID 20442859.

[1]

[2]

[3]