Úvod

Degradace asociovaná s endoplazmatickým retikulem (ERAD) je proces, který se týká identifikace proteinů lokalizovaných v endoplazmatickém retikulu (ER) a jejich cytosolické destrukce. Jedním z nejdůležitějších úkolů ERAD je napomáhat selektivní degradaci nesprávně složených proteinů, které vstupují do sekreční dráhy. Pokud tyto nesprávně složené proteiny nejsou odstraněny, mohou se hromadit v ER a omezovat jeho schopnost skládání tím, že sekvestrují chaperony ER nebo agregují. Dále může akumulace chybně složených proteinů v ER vyvolat buněčnou stresovou reakci, která může vést k apoptóze, pokud není zmírněna (Fribley et al., 2009). Pečlivě řízená intracelulární destrukce proteinů pomocí ERAD tedy pomáhá předcházet toxicitě spojené s aberantně složenými sekrečními proteiny a jejich potenciálnímu škodlivému vlivu na buněčnou homeostázu.

Mnoho lidských onemocnění je spojeno s dráhou ERAD. Některá z těchto onemocnění vznikají v důsledku mutací v sekrečních proteinech, které vedou k nesprávnému skládání proteinů a které je mění na substráty ERAD. Jedním z onemocnění v této skupině je Gaucherova choroba, lysozomální porucha skladování (Ron a Horowitz, 2005; Futerman a van Meer, 2004). V jiných případech může být mechanismus ERAD příliš účinný a předčasně eliminovat proteiny, které by se nakonec mohly složit. Například pomalu se skládající varianta ∆F508 regulátoru transmembránového vedení cystické fibrózy (CFTR) je ERAD předčasně degradována, což vede k cystické fibróze (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Další lidská onemocnění jsou spojena s mutacemi v ERAD nebo v samotném mechanismu kontroly kvality. Například mutace, které ovlivňují N-vázanou glykosylaci (posttranslační modifikace ER spojená s kontrolou kvality a ERAD), mohou způsobit řadu příznaků, včetně dysmorfie, encefalopatie a orgánových poruch (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Dohromady je s ERAD a kontrolou kvality proteinů v sekreční dráze spojeno stále více lidských onemocnění, včetně neurologických, respiračních, kardiovaskulárních a jaterních chorob a mnoha dalších (Guerriero a Brodsky, 2012; Jucker a Walker, 2013).

Funkce sekreční dráhy byla objasněna v 70. a na počátku 80. let 20. století. Tuto dráhu lze hrubě nastínit jako vstupní port (ER), mezilehlé entity (Golgiho komplex a vezikuly) a výstupní port (plazmatická membrána nebo extracelulární prostor). Jak však uvádíme níže, sekreční organely a vezikulární meziprodukty neposkytují pouze cestu pro proteiny ven z buňky nebo pro jejich zabudování do lipidových dvojvrstev v organelách nebo plazmatické membráně. Místo toho hrají tyto kompartmenty zásadní roli při přípravě sekrečních proteinů na export a při kontrole jejich kvality. Výzkum tohoto tématu začal Paladeho průkopnickým použitím radioizotopů k nastínění této dráhy (Palade, 1975), Blobelovým inovativním vývojem bezbuněčného systému k odhalení prvních sekrečních signálů a receptorů (Blobel a Dobberstein, 1975) a Schekmanovým elegantním použitím kvasinkové genetiky k charakterizaci složek, které tvoří sekreční dráhu (Novick a kol., 1980). V polovině 80. let se mnoho výzkumných skupin zaměřilo na určení toho, jak specifické komponenty zprostředkovávají selektivní versus neselektivní přenos proteinů přes ER (Pelham, 1989; Pfeffer a Rothman, 1987; McCracken a Kruse, 1989). Stále více důkazů naznačovalo, že se v ER hromadí mutované proteiny s medicínským významem (Hurtley a Helenius, 1989; McCracken a kol., 1989) a že mutované proteiny, které normálně procházejí ER, jsou zřejmě převráceny (Cheng a kol., 1990; Needham a Brodsky, 2013). Brzy se ukázalo, že mutované proteiny ER jsou degradovány (McCracken a Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton a Rine, 1994; Klausner a Sitia, 1990). Protože lysozomální/vakuolární enzymy byly pro tento děj nepotřebné, bylo lákavé spekulovat, že degradace probíhá uvnitř ER. Nebyl však nalezen žádný důkaz proteolytického systému kontroly kvality umístěného v ER. Vzhledem k nejistotě ohledně povahy proteázy jsme tento proces nazvali degradace spojená s ER neboli ERAD (McCracken a Brodsky, 1996).

Pomocí genetiky kvasinek a systémů savčích buněk a s využitím nástrojů in vivo i in vitro se objevily přesvědčivé důkazy, že proteolytickou aktivitu pro ERAD zajišťuje cytosolový proteazom (Werner et al..), 1996; Hiller et al., 1996; McCracken et al., 1996; Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995; Wiertz et al., 1996a; Sommer a Jentsch, 1993). Tento objev byl pro nás naprostým překvapením. Ačkoli integrální membránové proteiny v ER mohou mít přístup k cytosolové proteáze, bylo neočekávané, že rozpustné sekretované proteiny mohou být také degradovány proteazomem. Řešení tohoto problému spočívalo v tom, že rozpustné proteiny byly rozpoznány v ER a poté se vrátily do cytosolu prostřednictvím události označované jako „zpětná translokace“ nebo „dislokace“. V následujících letech bylo věnováno značné úsilí pochopení toho, jak jsou různé substráty ERAD vybírány, retro-translokovány a cíleny do proteazomu.

Nakonec bylo zřejmé, že ERAD představuje „netradiční cestu“ (retro-translokace z ER) ke „známému osudu“ (degradace chybně složených proteinů cytosolovým proteazomem) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Protože defekty v dráze ERAD vykazovaly syntetické, negativní účinky, když byly vyřazeny dráhy odpovědi na stres ER (Travers et al., 2000), ukázalo se také, že ERAD je jednou ze dvou kritických složek, které udržují homeostázu ER, druhou je odpověď na nesložené proteiny (unfolded protein response – UPR) (Walter a Ron, 2011). ERAD a UPR společně minimalizují potenciálně škodlivé účinky nesprávného skládání proteinů v sekreční dráze. Nicméně dráha ERAD a mechanismy podobné ERAD také regulují stabilitu (a tím i aktivitu) divokého typu, funkčních proteinů v sekreční dráze (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) a mohou být také uneseny patogeny (Noack et al., 2014).

V tomto článku poskytneme přehled procesů, které formují sekreční protein při jeho cestě ranou sekreční dráhou. Během této cesty vykazují sekreční proteiny signály, které jsou snímány četnými vazebnými partnery. Tyto signály určují nejen to, zda protein vstoupí do ER, ale také to, zda má být posttranslačně modifikován a transportován do pozdějších oddílů sekreční dráhy, nebo zda má být místo toho degradován. Rozluštění tohoto „kódu kontroly kvality“ je kritickým úkolem, který povinně plní mechanismy kontroly kvality proteinů ER a ERAD. Je třeba poznamenat, že většina informací o funkci sekreční dráhy a mechanismů kontroly kvality byla získána pomocí kvasinek Saccharomyces cerevisiae i savčích buněk. Jak se dalo očekávat, savčí systém je složitější, a proto se na jednotlivých procesech podílí více enzymů a chaperonů a procesy ERAD-L, ERAD-C a ERAD-M, které byly definovány v kvasinkách, jsou v savčích buňkách nedostatečně definovány. Obecné procesy jsou však vysoce konzervované a ortologové nejdůležitějších genů zapojených do těchto procesů se nacházejí v obou organismech. Zde se zabýváme oběma systémy, uvádíme názvy ortologů, pokud jsou k dispozici, a poukazujeme na rozdíly mezi oběma modely, pokud jsou relevantní.

.