Indledning

Endoplasmatisk retikulum associeret nedbrydning (ERAD) er den proces, der refererer til identifikation af proteiner lokaliseret i det endoplasmatiske retikulum (ER) og deres cytosoliske destruktion. En af de mest kritiske opgaver for ERAD er at bidrage til den selektive nedbrydning af fejlfoldede proteiner, der kommer ind i sekretoriske veje. Hvis disse fejlfoldede proteiner ikke elimineres, kan de ophobes i ER og begrænse dets foldningskapacitet ved at lægge ER-chaperoner beslag på dem eller ved at aggregere dem. Endvidere kan ophobning af fejlfoldede proteiner i ER udløse et cellulært stressrespons, der kan føre til apoptose, hvis det ikke afhjælpes (Fribley et al., 2009). Således er den omhyggeligt kontrollerede intracellulære destruktion af proteiner ved ERAD med til at forhindre den toksicitet, der er forbundet med aberrant foldede sekretoriske proteiner og deres potentielle skadelige virkning på den cellulære homøostase.

Mange menneskelige sygdomme er forbundet med ERAD-vejen. Nogle af disse sygdomme opstår på grund af mutationer i sekretoriske proteiner, der resulterer i proteinfejlfoldning, og som gør dem til ERAD-substrater. En sygdom i denne klasse er Gaucher-sygdommen, som er en lysosomal lagersygdom (Ron og Horowitz, 2005; Futerman og van Meer, 2004). I andre tilfælde kan ERAD-maskineriet være for effektivt og for tidligt fjerne proteiner, som i sidste ende ville kunne foldes. F.eks. nedbrydes den langsomt foldende ∆F508-variant af CFTR (cystisk fibrose transmembran-konduktansregulator) for tidligt af ERAD, hvilket fører til cystisk fibrose (Jensen et al., 1995; Ward et al., 1995). Andre sygdomme hos mennesker er forbundet med mutationer i ERAD eller selve kvalitetskontrolmaskineriet. For eksempel kan mutationer, der påvirker N-linked glykosylering (en ER posttranslationel modifikation knyttet til kvalitetskontrol og ERAD), forårsage en række symptomer, herunder dysmorfi, encephalopati og organsygdomme (Imbach et al., 1999; Freeze et al., 2014). Tilsammen er et stigende antal menneskelige sygdomme, herunder neurologiske, respiratoriske, kardiovaskulære og leversygdomme og mange andre (Guerriero og Brodsky, 2012; Jucker og Walker, 2013), forbundet med ERAD og proteinkvalitetskontrol i den sekretoriske vej.

Den sekretoriske vejs funktion blev opklaret i 1970’erne og begyndelsen af 1980’erne. Denne vej kan groft skitseres som en indgangsport (ER), mellemliggende enheder (Golgi-komplekset og vesikler) og en udgangsport (plasmamembranen eller det ekstracellulære rum). Men som vi diskuterer nedenfor, giver de sekretoriske organeller og vesikulære intermediære enheder ikke blot en vej for proteiner ud af cellen eller til at blive indlejret i lipiddimellemlagene i organellerne eller plasmamembranen. I stedet spiller disse kompartmenter en afgørende rolle i forberedelsen af sekretoriske proteiner til eksport og i deres kvalitetskontrol. Forskningen om dette emne begyndte med Palades banebrydende brug af radioisotoper til at skitsere sekretionsvejen (Palade, 1975), Blobels innovative udvikling af et cellefrit system til at afdække de første sekretionssignaler og receptorer (Blobel og Dobberstein, 1975) og Schekmans elegante anvendelse af gærgenetik til at karakterisere de komponenter, der udgør sekretionsvejen (Novick et al., 1980). I midten af 1980’erne fokuserede mange forskningsgrupper på at bestemme, hvordan specifikke komponenter formidler den selektive versus ikke-selektive trafikering af proteiner gennem ER (Pelham, 1989; Pfeffer og Rothman, 1987; McCracken og Kruse, 1989). Flere og flere beviser viste, at muterede proteiner af medicinsk betydning akkumuleres i ER (Hurtley og Helenius, 1989; McCracken et al., 1989), og at muterede proteiner, der normalt passerer gennem ER, tilsyneladende blev omvendt (Cheng et al., 1990; Needham og Brodsky, 2013). Det blev hurtigt klart, at muterede ER-proteiner blev nedbrudt (McCracken og Kruse, 1993; Finger et al., 1993; Hampton og Rine, 1994; Klausner og Sitia, 1990). Da lysosomale/vacuolære enzymer ikke var nødvendige for denne begivenhed, var det fristende at spekulere i, at nedbrydningen fandt sted inden for ER. Der var imidlertid ingen tegn på et proteolytisk kvalitetskontrolsystem, der var placeret i ER. På grund af usikkerheden omkring proteasens natur gav vi denne proces navnet ER-associeret nedbrydning eller ERAD (McCracken og Brodsky, 1996).

Gennem brug af gærgenetik og pattedyrcellesystemer og ved at anvende både in vivo og in vitro værktøjer fremkom der overbevisende beviser for, at det cytosoliske proteasom leverer den proteolytiske aktivitet til ERAD (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 og Jentsch, 1993). Denne opdagelse kom som en fuldstændig overraskelse. Selv om integrale membranproteiner i ER kunne få adgang til en cytosolisk protease, var det uventet, at opløselige sekretorerede proteiner også kunne nedbrydes af proteasomet. Løsningen på dette problem var, at opløselige proteiner blev genkendt i ER og derefter returneret til cytosolen via en begivenhed, der kaldes “retro-translokation” eller “dislokation”. I de efterfølgende år er der gjort en betydelig indsats for at forstå, hvordan forskellige ERAD-substrater udvælges, retro-transloceres og målrettes til proteasomet.

I sidste ende var det tydeligt, at ERAD repræsenterede “en ukonventionel rute” (retro-translokation fra ER) til en “velkendt skæbne” (nedbrydning af misfoldede proteiner ved det cytosoliske proteasom) (Werner et al., 1996; Hiller et al., 1996). Fordi defekter i ERAD-vejen udviste syntetiske, negative virkninger, når ER-stressresponsveje blev deaktiveret (Travers et al., 2000), blev det også klart, at ERAD var en af de to kritiske komponenter, der opretholder ER-homeostase, idet den anden er det ufoldede proteinrespons (UPR) (Walter og Ron, 2011). Sammen minimerer ERAD og UPR de potentielt skadelige virkninger af proteinfejlfoldning i den sekretoriske vej. Ikke desto mindre regulerer ERAD-vejen og ERAD-lignende mekanismer også stabiliteten (og dermed aktiviteten) af vildtype, funktionelle proteiner i den sekretoriske vej (Chen et al., 2011a; Hampton, 2002; Lemberg, 2013) og kan også blive kapret af patogener (Noack et al., 2014).

I denne artikel vil vi give et overblik over de processer, der former et sekretorisk protein, mens det bevæger sig gennem den tidlige sekretoriske vej. Under denne rejse viser sekretoriske proteiner signaler, der scannes af talrige bindingspartnere. Disse signaler dikterer ikke kun, om et protein kommer ind i ER, men også om det skal posttranslationelt modificeres og transporteres til senere kompartmenter i den sekretoriske vej, eller om det i stedet skal nedbrydes. At afkode denne “kvalitetskontrolkode” er en kritisk opgave, der pligtskyldigt udføres af ER-protein-kvalitetskontrolmekanismer og ERAD. Det skal bemærkes, at de fleste oplysninger om sekretionsvejens og kvalitetskontrolmekanismernes funktion er blevet indhentet ved hjælp af både gæren Saccharomyces cerevisiae og pattedyrceller. Som forventet er pattedyrsystemet mere komplekst, og derfor er der flere enzymer og chaperoner involveret i hver proces, og ERAD-L-, ERAD-C- og ERAD-M-processerne, som blev defineret i gær, er dårligt defineret i pattedyrceller. De generelle processer er imidlertid meget velbevarede, og ortologer af de mest relevante gener, der er involveret i disse processer, findes i begge organismer. Her diskuterer vi begge systemer, angiver navnet på ortologerne, når de er tilgængelige, og påpeger forskellene mellem de to modeller, når det er relevant.