La degradación de proteínas asociada al retículo endoplásmico ( ERAD ) designa una vía celular que se dirige a proteínas mal plegadas del retículo endoplásmico para ubiquitinación y posterior degradación por un complejo de degradación de proteínas, llamado proteasoma .
Mecanismo
El proceso de ERAD se puede dividir en tres pasos:
Reconocimiento de proteínas mal plegadas o mutadas en el retículo endoplásmico
El reconocimiento de proteínas mal plegadas o mutadas depende de la detección de subestructuras dentro de proteínas tales como regiones hidrófobas expuestas , residuos de cisteína no apareados y glucanos inmaduros .
En células de mamíferos , por ejemplo, existe un mecanismo llamado procesamiento de glucanos. En este mecanismo, las chaperonas de tipo lectina calnexina / calreticulina (CNX / CRT) brindan a las glicoproteínas inmaduras la oportunidad de alcanzar su conformación nativa. Pueden hacerlo mediante la reglucosilación de estas glicoproteínas mediante una enzima llamada UDP - glucosa - glicoproteína glucosiltransferasa también conocida como UGGT . Sin embargo, las proteínas con plegamiento incorrecto terminal deben extraerse de CNX / CRT. Esto se lleva a cabo por miembros de la familia EDEM (proteína similar a la α-manosidasa potenciadora de la degradación de ER) (EDEM1-3) y ER manosidasa I. Esta manosidasa elimina un residuo de manosa de la glicoproteína y este último es reconocido por EDEM. Eventualmente, EDEM apuntará a las glicoproteínas mal plegadas para su degradación facilitando la unión de las lectinas ERAD OS9 y XTP3-B. [1]
Retro-translocación al citosol
Debido a que el sistema ubiquitina-proteasoma (UPS) está ubicado en el citosol, las proteínas mal plegadas terminalmente tienen que ser transportadas desde el retículo endoplásmico de regreso al citoplasma. La mayor parte de la evidencia sugiere que la ligasa de ubiquitina-proteína Hrd1 E3 puede funcionar como un retrotranslocón o dislocón para transportar sustratos al citosol. Hrd1 no es necesario para todos los eventos ERAD, por lo que es probable que otras proteínas contribuyan a este proceso. Por ejemplo, los sustratos glicosilados son reconocidos por la lectina E3 Fbs2. [2] Además, esta translocación requiere una fuerza impulsora que determina la dirección de transporte. Dado que la poliubiquitinación es esencial para la exportación de sustratos , se cree ampliamente que esta fuerza impulsora es proporcionada por factores de unión a ubiquitina. Uno de estos factores de unión a ubiquitina es el complejo Cdc48p-Npl4p-Ufd1p en levadura. Los seres humanos tienen el homólogo de Cdc48p conocido como proteína que contiene valosina (VCP / p97) con la misma función que Cdc48p. VCP / p97 transporta sustratos desde el retículo endoplásmico al citoplasma con su actividad ATPasa.
Degradación dependiente de ubiquitina por el proteasoma
La ubiquitinación de proteínas mal plegadas terminalmente es causada por una cascada de reacciones enzimáticas . La primera de estas reacciones tiene lugar cuando la enzima activadora de ubiquitina E1 hidroliza ATP y forma un enlace tioéster de alta energía entre un residuo de cisteína en su sitio activo y el extremo C-terminal de ubiquitina. La ubiquitina activada resultante se pasa luego a E2, que es una enzima conjugadora de ubiquitina . Otro grupo de enzimas, más específicamente las proteínas ligasas ubiquitina llamadas E3, se unen a la proteína mal plegada. A continuación, alinean la proteína y E2, facilitando así la unión de ubiquitina a residuos de lisina de la proteína mal plegada. Después de la adición sucesiva de moléculas de ubiquitina a residuos de lisina de la ubiquitina previamente unida, se forma una cadena de poliubiquitina. Se produce una proteína poliubiquitinada y esta es reconocida por subunidades específicas en los complejos de protección 19S del proteasoma 26S. A continuación, la cadena polipeptídica se alimenta a la cámara central de la región del núcleo 20S que contiene los sitios proteolíticamente activos. La ubiquitina se escinde antes de la digestión terminal desubiquitinando enzimas. Este tercer paso está muy asociado con el segundo, ya que la ubiquitinación tiene lugar durante el evento de translocación. Sin embargo, la degradación proteasomal tiene lugar en el citoplasma.
Maquinaria de ubiquitinación ERAD
El dedo RING anclado a la membrana ER que contiene ubiquitina ligasas Hrd1 y Doa10 son los principales mediadores de la ubiquitinación del sustrato durante ERAD. La proteína de membrana anclada a la cola Ubc6 así como Ubc1 y la Ubc7 unida a la membrana dependiente de Cue1 son las enzimas conjugadoras de ubiquitina involucradas en ERAD.
Puntos de control
Como la variación de los sustratos ERAD es enorme, se han propuesto varias variaciones del mecanismo ERAD. De hecho, se confirmó que las proteínas solubles , de membrana y transmembrana eran reconocidas por diferentes mecanismos. Esto llevó a la identificación de 3 vías diferentes que constituyen de hecho 3 puntos de control.
- El primer punto de control se llama ERAD-C y monitorea el estado de plegamiento de los dominios citosólicos de las proteínas de membrana. Si se detectan defectos en los dominios citosólicos, este punto de control eliminará la proteína mal plegada.
- Cuando se encuentra que los dominios citosólicos están plegados correctamente, la proteína de membrana pasará a un segundo punto de control donde se controlan los dominios luminales . Este segundo punto de control se llama vía ERAD-L. No solo las proteínas de membrana que sobreviven al primer punto de control son controladas por sus dominios luminales, también las proteínas solubles son inspeccionadas por esta vía, ya que son completamente luminales y por lo tanto pasan por alto el primer punto de control. Si se detecta una lesión en los dominios luminales, la proteína involucrada se procesa para ERAD utilizando un conjunto de factores que incluyen la maquinaria de tráfico vesicular que transporta proteínas mal plegadas desde el retículo endoplásmico al aparato de Golgi .
- También se ha descrito un tercer punto de control que se basa en la inspección de dominios transmembrana de proteínas. Se denomina vía ERAD-M pero no está muy claro en qué orden debe colocarse con respecto a las dos vías descritas anteriormente.
Enfermedades asociadas con el mal funcionamiento de ERAD
Como ERAD es un elemento central de la vía secretora, los trastornos en su actividad pueden causar una variedad de enfermedades humanas. Estos trastornos se pueden clasificar en dos grupos.
El primer grupo es el resultado de mutaciones en los componentes ERAD, que posteriormente pierden su función. Al perder su función, estos componentes ya no son capaces de estabilizar las proteínas aberrantes, por lo que estas últimas se acumulan y dañan la célula. Un ejemplo de una enfermedad causada por este primer grupo de trastornos es la enfermedad de Parkinson . Es causada por una mutación en el gen parkin . Parkin es una proteína que funciona en complejo con CHIP como ubiquitin ligasa y supera la acumulación y agregación de proteínas mal plegadas.
[Existen numerosas teorías que abordan las causas de la enfermedad de Parkinson, además de la que aquí se presenta. Muchos de estos se pueden encontrar en la sección de Wikipedia dedicada a la enfermedad de Parkinson.]
A diferencia de este primer grupo de trastornos, el segundo grupo está causado por la degradación prematura de proteínas secretoras o de membrana. De esta forma, estas proteínas no pueden desplegarse en los compartimentos distales, como es el caso de la fibrosis quística .
ERAD y VIH
Como se describió anteriormente, la adición de cadenas de poliubiquitina a los sustratos ERAD es crucial para su exportación. El VIH utiliza un mecanismo eficaz para dislocar una proteína del huésped que se extiende por una sola membrana, CD4 , del ER y la envía a ERAD. La proteína Vpu del VIH-1 es una proteína en la membrana del RE y se dirige al CD4 recién creado en el retículo endoplásmico para su degradación por los proteasomas citosólicos. [3] Vpu solo utiliza parte del proceso ERAD para degradar CD4. El CD4 es normalmente una proteína estable y no es probable que sea un objetivo de ERAD. Sin embargo, el VIH produce la proteína de membrana Vpu que se une a CD4. La proteína Vpu retiene principalmente el CD4 en el RE por ubiquitinación dependiente de SCFβ-TrCP de la cola citosólica de CD4 y las interacciones del dominio transmembrana (TMD). [3] El CD4 Gly415 es un contribuyente a las interacciones CD4-Vpu, varios mecanismos mediados por TMD por VIH-1 Vpu son necesarios para regular a la baja CD4 y así promover la patogénesis viral. El CD4 retenido en el RE será un objetivo para una vía ERAD variante en lugar de aparecer predominantemente en la membrana plasmática sin la presencia de Vpu a través de la vía RESET. Vpu media la retención de CD4 en el ER y la adición de degradación. A medida que Vpu se fosforila , imita los sustratos del complejo E3 SCF βTrCP . En las células infectadas por el VIH, la βTrCP de SCF interactúa con Vpu y ubiquitina el CD4, que posteriormente es degradado por el proteasoma. La propia Vpu se escapa de la degradación.
Preguntas
Las grandes preguntas abiertas relacionadas con ERAD son:
- ¿Cómo se reconocen más específicamente las proteínas mal plegadas?
- ¿Cómo se diferencian los sustratos ERAD / sustratos luminales y sustratos de membrana para la retrotranslocación?
- ¿Se conserva la retrotranslocación a través de la levadura al sistema humano?
- ¿Cuál es el canal para la retrotranslocación de proteínas ER luminales?
- ¿Qué ligasa E3 finalmente marca las proteínas para la degradación proteasomal? [ cita requerida ]
Ver también
- Retículo endoplásmico
- JUNQ y IPOD
- Plegamiento oxidativo
- Proteasoma
- Plegado de proteínas
- Ubiquitinación
Referencias
- ^ Groisman B, Shenkman M, Ron E, Lederkremer GZ (enero de 2011). "El recorte de manosa es necesario para la entrega de una glicoproteína de EDEM1 a XTP3-B y para etapas tardías de degradación asociadas al retículo endoplásmico" . La revista de química biológica . 286 (2): 1292–300. doi : 10.1074 / jbc.M110.154849 . PMC 3020737 . PMID 21062743 .
- ^ Groisman B, Avezov E, Lederkremer GZ (septiembre de 2006). "Las ligasas de ubiquitina E3 HRD1 y SCFFbs2 reconocen el resto de proteínas y las cadenas de azúcar, respectivamente, de un sustrato de degradación asociado a ER". Revista de Química de Israel . 46 (2): 189–96. doi : 10.1560 / 2QPD-9WP9-NCYK-58X3 .
- ^ a b Magadán JG, Pérez-Victoria FJ, Sougrat R, Ye Y, Strebel K, Bonifacino JS (abril de 2010). "Mecanismo multicapa de regulación a la baja de CD4 por Vpu de VIH-1 que implica distintos pasos de retención de ER y dirección de ERAD" . PLOS Patógenos . 6 (4): e1000869. doi : 10.1371 / journal.ppat.1000869 . PMC 2861688 . PMID 20442859 .
Otras lecturas
- Magadán JG, Bonifacino JS (enero de 2012). "Determinantes del dominio transmembrana de la regulación negativa de CD4 por Vpu del VIH-1" . Revista de Virología . 86 (2): 757–72. doi : 10.1128 / JVI.05933-11 . PMC 3255848 . PMID 22090097 .
- Meusser B, Hirsch C, Jarosch E, Sommer T (agosto de 2005). "ERAD: el largo camino hacia la destrucción". Biología celular de la naturaleza . 7 (8): 766–72. doi : 10.1038 / ncb0805-766 . PMID 16056268 . S2CID 6449806 .
- Ding WX, Yin XM (febrero de 2008). "Clasificación, reconocimiento y activación de las vías de degradación de proteínas mal plegadas a través de la macroautofagia y el proteasoma" . Autofagia . 4 (2): 141–50. doi : 10.4161 / auto.5190 . PMID 17986870 .
- Vashist S, Ng DT (abril de 2004). "Las proteínas mal plegadas se clasifican mediante un mecanismo de punto de control secuencial de control de calidad de ER" . The Journal of Cell Biology . 165 (1): 41–52. doi : 10.1083 / jcb.200309132 . PMC 2172089 . PMID 15078901 .
- Ruddock LW, Molinari M (noviembre de 2006). "Procesamiento de N-glicanos en control de calidad ER" . Revista de ciencia celular . 119 (Pt 21): 4373–80. doi : 10.1242 / jcs.03225 . PMID 17074831 .
- Vembar SS, Brodsky JL (diciembre de 2008). "Un paso a la vez: degradación asociada al retículo endoplásmico" . Reseñas de la naturaleza. Biología celular molecular . 9 (12): 944–57. doi : 10.1038 / nrm2546 . PMC 2654601 . PMID 19002207 .
- Benyair R, Ron E, Lederkremer GZ (diciembre de 2011). "Control de calidad, retención y degradación de proteínas en el retículo endoplásmico". Revista internacional de biología celular y molecular . 292 : 197–280. doi : 10.1016 / B978-0-12-386033-0.00005-0 . ISBN 9780123860330. PMID 22078962 .